Разработка новых технологических процессов, обеспечивающих техническое перевооружение основных отраслей производства, тесно связана с вакуумной техникой.
Новые типы полупроводниковых структур, особо чистые материалы, сплавы, специальные покрытия изготавливаются в вакууме. Вакуум является идеально чистой технологической средой, в которой можно осуществить электрохимические и электрофизические процессы при изготовлении изделий микроэлектроники. Вакуумную технику широко используют в различных отраслях промышленности (электротехнической, электронной, радиотехнической, химической, металлургической, авиационно-ракетной, атомной, фармацевтической, пищевой и др.) для осуществления технологических процессов или обеспечения работы установок различного назначения (термообработки, переплава металлов и сплавов, нанесения тонких пленок, электронно-лучевой и диффузионной сварки, выпарных аппаратов, масс-спектрометрии и др.), а также в криогенных установках для имитации космических условий, ускорителях элементарных частиц.
Особенно широко вакуумная техника применяется в производстве микросхем, где процессы нанесения тонких пленок, ионного травления, электронолитографии обеспечивают получение элементов электронных схем субмикронных размеров.
В металлургии плавка и переплав металлов в вакууме освобождает их от растворенных газов, благодаря чему они приобретают высокую механическую прочность, пластичность и вязкость. Плавкой в вакууме получают безуглеродистые сорта железа для электродвигателей.
Оптическая промышленность при производстве оптических и бытовых зеркал перешла с химического серебрения на вакуумное алюминирование.
В пищевой промышленности для длительного хранения и консервирования пищевых продуктов используют вакуумную сушку вымораживанием.
Поэтому остро встает вопрос о проектировании вакуумных установок. Вакуумная система должна обеспечить получение требуемого давления в откачиваемом объеме. Для удовлетворения этого требования вакуумная система должна быть герметичной и снабжена соответствующими средствами откачки, измерения давления, коммутирующими и разъемными элементами. Важным условием выполнении этого требования является подбор материалов, из которых будут изготовлены вакуумная система и ее элементы, а также методы подготовки вакуумной системы к работе.
В зависимости от назначения технологической установки к ее вакуумной системе может быть предъявлен ряд требований, выполнение которых обеспечивает возможность проведения необходимого технологического процесса, осуществимого в вакууме.
Расчет вакуумной системы
... 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. ...
1. Вакуумная система должна обеспечить возможность получения требуемой быстроты откачки объема. Для этого вакуумная система должна иметь определенную проводимость, а примененный вакуумный насос должен обладать необходимой быстротой действия.
2. Вакуумная система должна быть снабжена устройствами для контроля ряда параметров, характеризующих ее состояние (общее и парциальные давления остаточных газов, скорость собственного газовыделения вакуумной системы, скорость накопления отдельных газов и паров в вакуумной системе и т. д.).
3. При применении автоматических систем управления технологическими процессами вакуумная система должна быть оснащена набором различных датчиков, осуществляющих передачу информации на ЭВМ. Используемые в вакуумной системе коммутирующие элементы должны быть автоматизированы, а средства откачки — высокопроизводительными и долговечными.
4. Технологический процесс, осуществляемый на вакуумных установках, часто длится многие десятки часов, поэтому вакуумная система должна быть высоконадежной при эксплуатации и иметь длительный межремонтный период. Это требование вызвано также и тем, что необходимо поддерживать вакуумную систему в рабочем состоянии в течение как можно большего времени. Вакуумная система, длительно не соприкасающаяся с атмосферой, с течением времени обезгаживается, снижается ее собственное газовыделение и повышается эффективность ее работы.
Схема вакуумной установки представленная на рисунке 1.1 способна обеспечить в вакуумной камере рабочее давление от 10 5 до 10-5 Па, что соответствует рабочему давлению. Вакуумная камера имеет размеры D=0.7 м и h=0,7 м и в процессе технологического процесса происходит довольно большое газовыделение (Qг =4,4·10— 3 м3 Па/с) применим насосы большой производительности, что поможет снизить время откачки.
CV — вакуумная камера; BL — ловушка азотная; BW — отражатель охлаждаемый циркулирующей жидкостью; ND — насос вакуумный диффузионный; NI — насос вакуумный механический; PM1-PM2 — вакуумметр магниторазрядный; PT1-PT2 — вакуумметр термопарный; VП1-VП2 — клапан регулирующий-дозирующий; VP1-VP3 — клапан пневматический
Рисунок 1.1 — Схема вакуумной установки
Вакуумная система для получения высокого вакуума имеет один механических насоса (NI) и один диффузионный насос (ND).
Насос NI обеспечивает предварительное разряжение в камере и в диффузионном насосе. Диффузионный насос ND позволяет получить высокий вакуум. Быстрота действия и предельное давление механического насоса NI должна быть согласованы с характеристиками насоса для получения высокого вакуума. Вакуумметр PT2 предназначены для проверки работоспособности механического вакуумного насоса. Клапан регулирующие-дозирующий VП2 служит для выравнивания давления на входном и выходном патрубке насоса при закрытии клапана VP2 и VP3. Для уменьшения обратного потока паров вакуумного масла применим азотные ловушки. Вакуумная камера снабжена вакуумметрами PM1 и PT1 для определения давления в ней, клапаном регулирующим-дозирующим VП1 для напуска воздуха.
В начальном положении все клапана и затвор должны быть закрыты, а насосы отключены. Для начала работы необходимо включить механический вакуумный насос. При достижении давления на входе в механический насос 10 Па следует открыть клапан VP3 и откачать диффузионный насос до давления запуска (1…10 Па).
Приборы для измерения давления
... вакуумметрах в измерительном колене применяется масло с известной плотностью и по возможности малым давлением пара с тем, чтобы не нарушать вакуум. Обычно жидкостные манометры изолируют от остальной вакуумной ... жидкости полного давления p необходимо к манометрическому давлению p ман прибавить атмосферное давление pатм , снятое с барометра. Практически же в гидравлике атмосферное давление считается ...
При достижении данного давления в диффузионном насосе закрывают клапан VP3 и включают диффузионный насос на прогрев, который обычно длиться порядка 20…30 мин. В то время пока диффузионный насос прогревается необходимо откачать вакуумную камеру, для этого открываем клапан VP2 и откачиваем вакуумную камеру до давления 1…10 Па. При достижении данного давления в вакуумной камере закрываем клапан VP2 и открываем клапан VP3. При достижении в диффузионном насосе давления ниже 10 -3 Па (т.е. насос прогрелся и начал работать «сам на себя») открывается высоковакуумный затвор VP1 и происходит откачка вакуумной камеры до рабочего давления (2·10-4 Па).
Отключение установки происходит по следующей последовательности: закрывается высоковакуумный затвор VP1, отключается диффузионный насос и ожидается пока он остынет (давление повышается до предельного давления механического насоса 1…10 Па), после закрывается клапан VP3 и отключается механический насос.
вакуумный установка схема
Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного называются вакуумметрами. Большинство вакуумметров состоит из двух элементов: манометрического преобразователя сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока. По принципу действия вакуумметры можно свести в следующие классы:
1) жидкостные вакуумметры, непосредственно измеряющие давление (U-образные вакуумметры и их модификации);
2) компрессионные вакуумметры, действие которых основано на законе изотермического сжатия идеального газа (вакуумметры Мак-Лсода);
3) деформационные вакуумметры, использующие в качестве чувствительного элемента сильфон, мембрану и т. п.;
4) тепловые вакуумметры, использующие зависимость теплопроводности газа от давления; эти приборы подразделяются на термопарные и вакуумметры сопротивления;
5) ионизационные вакуумметры, в которых используется ионизация газа; большая группа приборов этого класса подразделяется в свою очередь на:
- электронные ионизационные, ионизация газа в которых осуществляется потоком электронов, эмитируемых термокатодом;
- электроразрядные, в которых ток разряда возникает при низких давлениях под действием электрического и магнитного полей;
- радиоизотопные, ионизация газа в которых осуществляется потоком б-частиц, образующихся при радиоактивном распаде.
На рисунке 2 показаны диапазоны измеряемых давлений различными средствами измерения. Основываясь на характеристиках вакуумметров выбираются средства контроля и измерения вакуума.
Рисунок 2.1 — Области давлений, измеряемые различными вакуумметрами
Для измерения низкого вакуума применим термопарный вакуумметр ВТ-3 с преобразователем ПМТ-2, который имеет диапазон измеряемых давлений 1·10 -1 … 7·102 Па и имеет погрешность измерения ±30%. Для измерения среднего и высокого вакуума применим магниторазрядный вакуумметр ВМБ-6 с преобразователем ПММ-32, который имеет диапазон измеряемых давлений 1·10-5 … 7·10-1 Па и имеет погрешность измерения
-50…+80% (Таблица П1).
Вакуумметры размещаем в соответствии с возможностями насосов, т.е. на низковакуумных насосах ставятся термопарные, а на высоковакуумном насосе — магниторазрядный вакуумметр. По данным средствам контроля давления можно определить исправность насосов. Также контроль давления должен осуществляться и на откачиваемом объекте (камера), поэтому для контроля низкого вакуума ставят термопарный вакуумметр, а для высокого и среднего вакуума — магниторазрядный.
Для стационарного режима характерно постоянство во времени потоков и давлений во всех сечениях вакуумной системы.
Исходные данные:
Рабочие давление р=6·10 — 3 Па;
Суммарное газовыделение Q=1·10 — 4 м3 ·Па/с;
- Размеры рабочей камеры D=0.7 м и h=0,7 м;
- Время работы в установившемся режиме t=60 мин.
Время откачки в неустановившемся режиме 10 мин
3.1 Выбор средств получения и поддержания вакуума
Для создания среднего и высокого вакуума применим паромасляный насос типа НВДМ с предельным давлением р пр1 =6,5·10-5 Па и диапазоном быстрот действия от 0,34 до 45 м3 /с.
Эффективную быстроту откачки в откачиваемом объекте определим по формуле
S эф1 =Q/p1
S эф1 =1·10— 4 /6·10— 3 =1,5 (м3 /с)
Определим коэффициент использования высоковакуумного насоса. Пользуясь графиком на рисунке 3.1 при n=5 находим для S эф =1,5 м3 /с оптимальное значение коэффициента использования Ки1 =0,38.
Определим номинальную быстроту действия
Ближайший по быстроте действия паромасляный насос — НВДМ400 имеет следующие характеристики:
|
Номинальная быстрота действия, м 3 /с |
5.9 |
|
|
Диаметр входного патрубка, мм |
400 |
|
|
Диаметр выходного патрубка, мм |
63 |
|
|
Наибольшее выпускное давление, Па |
35 |
|
|
Предельное давление, Па |
3·10 -5 |
|
Рисунок 3.1 — Оптимальные коэффициенты использования вакуумных пароструйных насосов в зависимости от эффективной быстроты действия S эф и числа элементов между насосом и откачиваемым объектов n.
Для создания низкого вакуума применим механический вращательный насос типа НВР с предельным давлением р пр 2 =0,66 Па и диапазоном быстрот действия от 1·10-4 до 0,1 м3 /с. Рабочее давление механического насоса выбираем по максимальному выпускному давлению паромасляного насоса с коэффициентом запаса ц=2. Тогда
р 2 =р1 /ц=35/2=17,5 (Па)
Эффективную быстроту откачки
S эф 2 =Q/p2
S эф 2 =1·10— 4 /17,5=1,7·10— 4 (м3 /с)
Определим коэффициент использования низковакуумного насоса. Пользуясь графиком на рисунке 3.2 при n=3 находим для S эф =1,7·10— 4 м3 /с оптимальное значение коэффициента использования Ки 2 =0,84.
Определим номинальную быстроту действия
Рисунок 3.2 — Рекомендуемые коэффициенты использования Ки вращательных насосов в низковакуумных системах в зависимости от эффективной быстроты действия Sэф и числа элементов на участке от насоса до откачиваемого объекта n
Ближайший по быстроте действия механический насос — НВР-4,5Д имеет следующие характеристики:
|
Номинальная быстрота действия, м 3 /с |
2,25·10 — 3 |
|
|
Диаметр входного патрубка, мм |
16 |
|
|
Диаметр выходного патрубка, мм |
16 |
|
|
Наибольшее выпускное давление, Па |
10 5 |
|
|
Предельное давление, Па |
0,66 |
|
Для создания предварительного разряжения в камере применим механический насос типа НВР с предельным давлением р пр2 =0,66 Па и диапазоном быстрот действия 1·10-4 до 0,1 м3 /с. Рабочее давление механического насоса выбираем по давлению запуска паромасляного насоса р3 =3…5 Па.
Эффективную быстроту откачки
S эф 3 =Q/p3
S эф 3 =1·10— 4 /3=1·10— 2 (м3 /с)
Для создания предварительного разряжения в камере применим механический насос типа НВР с предельным давлением р пр2 =0,66 Па и диапазоном быстрот действия 1·10-4 до 0,1 м3 /с. Рабочее давление механического насоса выбираем по давлению запуска паромасляного насоса р3 =3…5 Па.
Эффективную быстроту откачки
S эф3 =Q/p3
S эф3 =1·10— 4 /3=1·10-2 (м3 /с)
Определим коэффициент использования низковакуумного насоса. Пользуясь графиком на рисунке 3.2 при n=5 находим для S эф =1·10-2 м3 /с оптимальное значение коэффициента использования Ки3 =0,86.
Определим номинальную быстроту действия
Округлим до ближайшего большего значения быстроты действия насоса, чтобы уменьшить время откачки камеры. Ближайший по быстроте действия механический насос- 2НВР-5ДМ имеет следующие характеристики:
Номинальная быстрота действия, м 3 /с5,5·10-3
Диаметр входного патрубка, мм25
Диаметр выходного патрубка, мм16
Наибольшее выпускное давление, Па10 5
Предельное давление, Па0,66
3.2 Определение конструктивных размеров соединительных трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы
Найдем общую проводимость участка вакуумной системы от механического насоса до вакуумной камеры по формуле
где S н3 — быстрота действия насоса, выбранного по каталогу.
Составим компоновочную схему рассматриваемого участка вакуумной системы. На рисунке 3.3 показаны внутренние размеры откачиваемого объекта и длины трубопроводов. Участок вакуумной системы состоит из пяти элементов: трубопроводов 1, 3 и 5, клапана 2 и ловушки 4 . Определим проводимости элементов и диаметры трубопроводов. Будем считать в первом приближении, что все элементы имеют одинаковую проводимость.
U 3j =5·U03 =5·0,034=0,17 (м3 /с)
Рисунок 3.3 — Схема низковакуумного участка
Тогда режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению р=3 Па и диаметру входного патрубка насоса L=d вх =0,025 м. Критерий Кнудсена для откачки воздуха
Kn=6,7·10 -3 /L·p=6,7·10-3 /3·0,025=0,089
0,33>Kn >0,01 т. е. режим течения молекулярно-вязкостный.
При молекулярно-вязкостном режиме течения проводимость отверстий не учитывается, следовательно общая проводимость будет определяться только проводимостью трубопровода. Диаметр первого трубопровода можно рассчитать при среднем давлении в трубопроводе Р ср =Р5 =3 Па:
Отсюда получаем d 3 1 =0,054 м. По ГОСТ Р 52912-2008выбираем условный проход трубопровода d31 =0,063 м. Тогда проводимость первого участка U3 1 =0,305 м3 /с.
В качестве клапана выбираем КМУ1-80 с диаметром условного прохода d у32 =80 мм и проводимостью в молекулярно-вязкостном режиме течения газа 0,446 м3 /с. Проводимость клапана в молекулярно-вязкостном режиме несколько больше, чем в молекулярном. Разницей проводимостей в данном расчете пренебрегаем.
Диаметр трубопровода на третьем участке выберем из условия U 33 = 0,17м3 /с.
Таким образом, d 33 =0,074 м. По ГОСТ Р 52912-2008 выбираем условный проход трубопровода d33 =0,08 м. Тогда проводимость участка U33 = 0,235м3 /с.
Отражатель охлаждаемый циркулирующей жидкостью выбираем с диаметром условного прохода d у34 =80 мм и проводимостью в молекулярно-вязкостном режиме течения газа 0,302 м3 /с.
Диаметр трубопровода на первом участке выберем из условия U 3 1 =0,17 м3 /с.
Таким образом, d 3 5 =0,061 м. По ГОСТ Р 52912-2008 выбираем условный проход трубопровода d3 5 =0,063 м. Тогда проводимость участка U3 5 = 0,203м3 /с.
Общая проводимость участка с учетом того, что входная проводимость насоса равна бесконечности
Общая проводимость выбранного участка вакуумной системы 0,056м 3 /с, что больше требуемой 0,034 м3 /с. Коэффициент использования механического насоса
Коэффициент использования близок к оптимальному значению.
Рассчитаем распределение давления по длине участка вакуумной системы от механического насоса до откачиваемого объекта. Результаты расчета занесены в табл. 3.1.
Таблица 3.1 — Распределение давления на участке вакуумной системы от механического насоса до откачиваемого объекта
|
Название элементов |
Проводимость элемента U, м 3 /с |
Предельное давление р пр , Па |
Перепад давления на элементах ?р, Па |
Давление на входе в элемент, Па |
Давление на выходе из элемента, Па |
|
|
Трубопровод 5 |
0,203 |
0,66 |
2,17·10 — 2 |
1,482 |
1,46 |
|
|
Ловушка 4 |
0,302 |
1,46·10 — 2 |
1,496 |
1,482 |
||
|
Трубопровод 3 |
0,235 |
1,87·10 — 2 |
1,515 |
1,496 |
||
|
Клапан 2 |
0,446 |
0,99·10 — 2 |
1,525 |
1,515 |
||
|
Трубопровод 1 |
0,305 |
1,44·10 — 2 |
1,539 |
1,525 |
||
Давление во входном сечении насоса
Рн3=Рпр3+Q/Sm3=0,66+1*10 -4 /5,5*10-3 =4,3(Па)
Перепад давления на элементе 5 ?Р 5 =Q/U3 5 =1·10— 4 /0,203=0,1417 Па. Аналогично находим перепады давлений на остальных элементах, рассчитываем давления на входе и выходе каждого элемента и по полученным результатам строим график распределения давления.
Найдем общую проводимость участка вакуумной системы от диффузионного насоса до вакуумной камеры по формуле
где S н1 — быстрота действия насоса, выбранного по каталогу.
Составим компоновочную схему рассматриваемого участка вакуумной системы.
На рисунке 3.4 показаны внутренние размеры откачиваемого объекта и длины трубопроводов. Участок вакуумной системы состоит из пяти элементов: трубопроводов 6, 8 и 10, высоковакуумного затвора 7 и азотной ловушки 9 . Определим проводимости элементов и диаметры трубопроводов. Будем считать в первом приближении, что все элементы имеют одинаковую проводимость.
Рисунок 3.4 — Схема высоковакуумного участка
U 1 j =5·U0 1 =5·0,96=4,8 (м3 /с)
Тогда режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению р=8·10 — 3 Па и диаметру входного патрубка насоса L=dвх =0,4 м. Критерий Кнудсена для откачки воздуха
Kn=6,7·10 -3 /L·p=6,7·10-3 /0,4·8·10— 3 =2,09
Kn>0,33 т. е. режим течения молекулярный.
При молекулярном режиме течения учитывается проводимость отверстий, следовательно общая проводимость будет определяться проводимостью трубопровода и отверстия. Диаметр шестого трубопровода можно рассчитать из условия последовательного соединения входного отверстия и трубопровода
Отсюда получаем d 1 6 =0,31 м. По ГОСТ Р 52912-2008 выбираем условный проход трубопровода d1 6 =0,4 м. Тогда проводимость участка U1 6 =15,24 м3 /с.
В качестве затвора выбираем ЗВЭ-250 с диаметром условного прохода d у17 =250 мм и проводимостью в молекулярном режиме течения газа 13,4 м3 /с.
Диаметр трубопровода на восьмом участке выберем из условия U 18 =4,8м3 /с.
Таким образом, d 1 8 =0,22 м. По ГОСТ Р 52912-2008 выбираем условный проход трубопровода d1 8 =0,25 м. значит диаметры проходных отверстий трубопровода и затвора совпадают, и тогда проводимость рассчитывается только исходя из проводимости трубопровода. Тогда проводимость участка U1 8 =12,6 м3 /с. Проводимость увеличилась за счет совпадения диаметров отверстий трубопровода и затвора.
Азотную ловушку выбираем в соответствии с диаметром трубопровода, которая имеет проводимость 4,14 м 3 /с.
Диаметр трубопровода на десятом участке выберем из условия U 110 =4,8м3 /с.
Таким образом, d 110 =0,21 м. По ГОСТ Р 52912-2008 выбираем условный проход трубопровода d110 =0,25 м. значит диаметры проходных отверстий трубопровода и затвора совпадают, и тогда проводимость рассчитывается только исходя из проводимости трубопровода. Тогда проводимость участка U110 =12,6 м3 /с. Проводимость увеличилась за счет совпадения диаметров отверстий трубопровода и затвора.
Входная проводимость насоса равна бесконечности, т.к. диаметр входного патрубка насоса больше чем диаметр трубопровода.
Общая проводимость участка с учетом того, что входная проводимость насоса равна бесконечности
Общая проводимость выбранного участка вакуумной системы 1,83 м 3 /с, что немного меньше требуемой 0,96 м3 /с. Основное влияние на проводимость оказывает азотная ловушка. Коэффициент использования механического насоса
Коэффициент использования близок к оптимальному значению.
Рассчитаем распределение давления по длине участка вакуумной системы от высоковакуумного насоса до откачиваемого объекта. Результаты расчета занесены в табл. 3.2.
Таблица 3.2 — Распределение давления на участке вакуумной системы от диффузионного насоса до откачиваемого объекта
|
Название элементов |
Проводимость элемента U, м 3 /с |
Предельное давление р пр , Па |
Перепад давления на элементах ?р, Па |
Давление на входе в элемент, Па |
Давление на выходе из элемента, Па |
|
|
Трубопровод 10 |
12,6 |
3,49·10 — 4 |
1,125·10 — 3 |
7,76·10 — 4 |
||
|
Ловушка 9 |
4,14 |
10,63·10 — 4 |
2,188·10 — 3 |
1,125·10 — 3 |
||
|
Трубопровод 8 |
12,6 |
3,49·10 — 4 |
2,537·10 — 3 |
2,188·10 — 3 |
||
|
Затвор 7 отверстие |
13,4 9,33 |
3,28·10 — 4 4,72·10 -4 |
2,865·10 -3 3,337·10 — 3 |
2,537·10 — 3 2,865·10 -3 |
||
|
Трубопровод 6 отверстие |
51,63 21,62 |
8,52·10 — 4 2,04·10 -4 |
4,189·10 — 3 4,393·10 -3 |
3,337·10 — 3 4,189·10 -3 |
||
Давление во входном сечении насоса
Рн1=Рпр1+Q/Sm1=3*10 -5 +1*10-4 /5.9=7.76 (Па)
Перепад давления на элементе 10 ?Р 10 =Q/U1 10 =1·10— 4 /12,6=3,49·10— 4 Па. Аналогично находим перепады давлений на остальных элементах, рассчитываем давления на входе и выходе каждого элемента и по полученным результатам строим график распределения давления.
Найдем общую проводимость участка вакуумной системы от механического насоса до высоковакуумного насоса по формуле
где S н2 — быстрота действия насоса, выбранного по каталогу.
Составим компоновочную схему рассматриваемого участка вакуумной системы.
Рисунок 3.5 — Схема низковакуумного участка
На рисунке 3.5 показаны внутренние размеры откачиваемого насоса и длины трубопроводов. Участок вакуумной системы состоит из трех элементов: трубопроводов 11, 13 клапана 12 .
Определим проводимости элементов и диаметры трубопроводов. Будем считать в первом приближении, что все элементы имеют одинаковую проводимость.
U 2 j =3·U0 2 =3·0,034=0,102 (м3 /с)
Тогда режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению р=60 Па и диаметру входного патрубка насоса L=d вх =0,025 м. Критерий Кнудсена для откачки воздуха
Kn=6,7·10 -3 /L·p=6,7·10-3 /60·0,025=0,0045
0,01>Kn т. е. режим течения вязкостный.
При вязкостном режиме течения проводимость отверстий не учитывается, следовательно общая проводимость будет определяться только проводимостью трубопровода. Диаметр одиннадцатого трубопровода можно рассчитать при среднем давлении в трубопроводе Р ср =Р5 =60 Па:
Отсюда получаем d 211 =0,024 м. По ГОСТ Р 52912-2008 выбираем условный проход трубопровода d211 =0,025 м. Тогда проводимость первого участка U211 =0,114 м3 /с.
В качестве клапана выбираем КМУ1-25 с диаметром условного прохода d у212 =25 мм и проводимостью в вязкостном режиме течения газа 0,14 м3 /с. Проводимость клапана в вязкостном режиме несколько больше, чем в молекулярном. Разницей проводимостей в данном расчете пренебрегаем.
Диаметр трубопровода на тринадцатом участке выберем из условия U 21 3 = 0,102м3 /с.
Таким образом, d 21 3 =0,027 м. По ГОСТ Р 52912-2008 выбираем условный проход трубопровода d33 =0,04 м. Тогда проводимость участка U33 =0,454 м3 /с. Общая проводимость участка с учетом того, что входная проводимость насоса равна бесконечности
Общая проводимость выбранного участка вакуумной системы 0,055м 3 /с, что больше требуемой 0,034 м3 /с. Коэффициент использования механического насоса
Коэффициент использования близок к оптимальному значению.
Рассчитаем распределение давления по длине участка вакуумной системы от механического насоса до откачиваемого объекта. Результаты расчета занесены в табл. 3.3.
Таблица 3.3 — Распределение давления на участке вакуумной системы от механического насоса до диффузионного насоса
|
Название элементов |
Проводи-мость элемента U, м 3 /с |
Предельное давление р пр , Па |
Перепад давления на элементах ?р, Па |
Давление на входе в элемент, Па |
Давление на выходе из элемента, Па |
|
|
Трубопровод 13 |
0,454 |
9,69·10 — 3 |
1,47 |
1,46 |
||
|
Клапан 12 |
0,14 |
3,14·10 — 2 |
1,5 |
1,47 |
||
|
Трубопровод 11 |
0,114 |
3,86·10 — 2 |
1,54 |
1,5 |
||
Давление во входном сечении насоса
Pн2=Pпр2+Q/Sm2=0.66+1*10 -4 /5.5*10-3 =1.46 (Па)
Перепад давления на элементе 13 ?Р 1 3 =Q/U2 1 3 =1*10— 4 /0,454=9,69·10— 3 Па. Аналогично находим перепады давлений на остальных элементах, рассчитываем давления на входе и выходе каждого элемента и по полученным результатам строим график распределения давления.
Задачей проверочного расчета является определение распределения давления в известной вакуумной системе. Проверочный расчет осуществляется для определения характеристик существующих вакуумных систем или уточнения проектировочных расчетов. Исходными данными являются: 1) вакуумная схема; 2) спецификация элементов вакуумной системы и их характеристики (в том числе откачиваемых объектов); 3) спецификации материалов, используемых в вакуумной системе, и их удельные газовыделения; 4) минимальный поток Q тм , регистрируемый течеискателем; 5) число проверяемых соединений m; 6) технологическое газовыделение Q т .
Проверочный расчет можно разделить на несколько этапов, выполняемых в такой последовательности: 1) определение собственного газовыделения; 2) расчет распределения давления; 3) графическая проверка правильности выбора насосов; 4) проверка возможности запуска установки; 5) определение области совместной работы вакуумных насосов.
1. Общее газовыделение вакуумной системы задается изначально при проектировании Q=4,4·10 — 3 м3 ·Па/с.
2. Расчет распределения давления по длине трубопровода и вакуумным элементам произведено в предыдущем пункте.
3. Графическая проверка выбора вакуумных насосов позволяет определить их рабочие давления. По графическим характеристикам насосов строятся их эффективные быстроты откачки. Для первого насоса в откачиваемом объекте, для второго — на выходе первого насоса и т. д. в соответствии с формулами
Пересечение этих кривых с кривой быстроты натекания S=Q/p определяет рабочие давления всех насосов рисунок 4.1.
Рассчитаем S эф1 и Sэф2 для 11 различных давлений:
На участке от высоковакуумного насоса до камеры режим течения молекулярный, который не зависит от давления на участке, а следовательно и проводимость на этом участке остается постоянной и не зависит от давления
Зависимость быстроты действия насосов от давления приведены в таблице 4.1.
S эф1 для диффузионного насоса рассчитывается с момента его включения, т.е. при давлении 1…10 Па.
Результаты расчетов в таблице 4.1.
Механические насосы откачивают до давления 0,1…10 Па, поэтому расчеты S эф2 при давлении ниже 0,1 Па не имеет смысла.
Совместность работы последовательно или параллельно включенных насосов обеспечивается, если давление в их выходных патрубках ниже максимальных выпускных давлений этих насосов.
График зависимости быстроты действия насосов от давления приведен на рисунке 4.1.
Точка пересечения кривых S эф1 и Sq соответствует установившемуся режиму работы первого насоса. Давление в точке пересечения равно рабочему давлению первого насоса. Аналогично по пересечению кривых Sэф2 и Sq находим рабочее давление второго насоса. Оно меньше, чем максимальное выпускное давление первого насоса, значит насосы работают совместно.
Таблица 4.1 — Результаты вычислений S эф1 , Sэф2 , SQ .
|
Давление P, Па |
Проводимость участка U 01 , м3 /с |
Проводимость участка U 02 , м3 /с |
S 1 , м3 /с |
S 2 , м3 /с |
S эф 1 |
S эф 2 |
S Q |
|
|
100000 |
3,163 |
0,418 |
— |
0,005 |
— |
0,00494 |
4,4·10 — 8 |
|
|
10000 |
3,163 |
0,414 |
— |
0,0053 |
— |
0,00523 |
4,4·10 — 7 |
|
|
1000 |
3,162 |
0,384 |
— |
0,0055 |
— |
0,00542 |
4,4·10 — 6 |
|
|
100 |
3,157 |
0,221 |
— |
0,0055 |
— |
0,00537 |
4,4·10 — 5 |
|
|
10 |
3,103 |
0,05 |
0,07 |
0,0051 |
0,068 |
0,00463 |
4,4·10 — 4 |
|
|
1 |
2,758 |
0,014 |
0,9 |
0,0039 |
0,679 |
0,00305 |
4,4·10 — 3 |
|
|
0,1 |
2,151 |
0,001 |
3 |
0,00001 |
1,253 |
— |
4,4·10 — 2 |
|
|
0,01 |
2,023 |
— |
5,9 |
— |
1,506 |
— |
4,4·10 — 1 |
|
|
0,001 |
2,023 |
— |
5,9 |
— |
1,506 |
— |
4,4·10 0 |
|
Рисунок 4.1 — График зависимости быстроты действия насосов от давления.
Проверка возможности запуска установки осуществляется графически по рисунку 4.1. Запуск установки возможен, если при всех давлениях выше рабочего в откачиваемом объекте быстрота натекания меньше, чем эффективная быстрота откачки насосов. Данное условие выполняется при всех давлениях выше рабочего в откачиваемом объекте.
Расчет вакуумной системы в нестационарном режиме работы для определения времени откачки часто выполняется для вакуумных систем, спроектированных из условий стационарного режима работы. Необходимость такого расчета возникает также при проектировании новых вакуумных систем, работающих только в нестационарном режиме, в связи с малой точностью проектировочных расчетов.
Для такого расчета в качестве исходных данных следует задать:
1) вакуумную схему установки; 2) характеристики насосов: быстроту действия, предельное давление, давление запуска; 3) характеристики арматуры и трубопроводов; размеры и проводимости; 4) характеристики откачиваемых объектов: размеры и объем; 5) суммарное газовыделение и натекание при нестационарном режиме работы; 6) рабочее давление.
Порядок расчета:
1) проверка условия квазистационарности; 2) построение графиков эффективной быстроты откачки насосов в откачиваемом объекте и быстроты натекания; 3) расчет времени откачки объекта до рабочего давления.
1. Условие квазистационарности проверяется по характеристикам откачиваемого объекта и трубопроводов, которые имеются в исходных данных. В результате проверки этого условия уточняется характер нестационарного режима работы, что оказывает влияние на выбор расчетных формул для определения времени откачки.
где ф 1 =V/Sэф ; V — объем откачиваемого объекта; Sэф — эффективная быстрота откачки объекта; ф2 =Vтр /U; Vтр и U — объем и проводимость трубопровода.
В связи с тем что S эф всегда меньше U, условие квазистационарности с запасом будет выполняться, если
V/V тр >>1
0,269/(0,0188+0,0147+0,005)=0,269>0,0385
Условие квазистационарности выполняется.
2. Графики эффективной быстроты откачки насосов в откачиваемом объекте и быстроты натекания представлены на рисунке 5.1.
3. Для определения времени откачки строят графики эффективной быстроты откачки всех насосов
в зависимости от давления для сечений входа в откачиваемый объект; S н i — быстрота действия насоса (в зависимости от входного давления задается в виде графика); Ui — проводимость вакуумной системы от 1-го насоса до откачиваемого объекта (определяется по характеристикам арматуры и трубопроводов из исходных данных и в общем случае также является функцией давления).
Вакуумный трубопровод предназначен для соединения элементов вакуумной системы, которые размешаются в вакуумной установке в соответствии с требованиями технологического процесса и удобства эксплуатации всей установки в целом. Вакуумный трубопровод должен обладать достаточной механической и химической прочностью, также должен обладать высокой герметичностью, т.е. должен быть вакуумноплотным и иметь как можно ниже газовыделения, а также трубопровод должен выдерживать многократные прогревы.
Данным требования соответствуют такие материалы как нержавеющая сталь (12Х18Н10Т), стекло, вакуумная резина, керамические материалы.
Для данной установки применим трубопровод из нержавеющей стали, за счет высокой прочности, практичности и не высокой цены.
Расчет толщины стенок вакуумной камеры.
Толщину стенки приближенно определяют по формулам:
S =
где — атмосферное давление; С — прибавка на коррозию и технологический допуск; — допускаемое напряжение, 140МПа,
где — с — суммарная прибавка к толщине стенки,
S = = 0.5 мм.
Учет внешних нагрузок на элементы конструкции камеры.
Проверим на условие прочности:
- S/D <0,05
0,5/400=0,00125<0,05, условие выполняется.
Проверяем на условие устойчивости:
S =1,25 D у () 0,4 +C
где и — давление и модуль упругости материала трубопровода, Па; и — диаметр условного прохода и длина трубопровода, м; S и — толщина стенки и допуск, м.
S = 1,25•0,4() 0,4 +0,5 = 0,52 м.
По СА 03-003-07 принимаем S = 4 мм.
Фланцы выбираем стандартных диаметров по ГОСТ Р 52912-2008, а тип и конструкцию выбираем в зависимости от диаметров трубопровода и частоты сбора и разбора
Для фланцевых соединений малых диаметров трубопроводов и довольно частых разборов применяем быстроразъемные фланцы (рисунок 6.1).
Рисунок 6.1 — Пример соединения быстроразъемных фланцев.
Для фланцевых соединений средних и больших диаметров трубопроводов и соединения которые практически не разбираются применим фланцы с резиновым уплотнителем (рисунок 6.2), которые крепятся за счет специальных креплений (болтов).
Рисунок 6.2 — Пример соединения фланцев с резиновым уплотнителем.
Для высоковакуумной ветки применим фланцы с резиновым уплотнителем, а для форвакуумной ветки применим быстроразъемные соединения
При выполнении проектировочного расчета для разработки новых вакуумных машин и установок, были выбраны: откачное оборудование, арматура и определены размеры соединительных трубопроводов из условия обеспечения заданного рабочего давления в вакуумной камере.
При выборе всего оборудования были учтены особенности откачного объекта (размер камеры), технологического процесса (большое газовыделение и натекание) и обеспечение необходимого давления. Так же была произведена компоновка установки и откачных средств. По компоновочному чертежу были определены необходимые длины трубопроводов. Установка, которая была спроектирована соответствует всем необходимым условиям и обеспечивает необходимое давление при технологическом процессе.
1. Розанов, Л.Н. Вакуумная техника: / Л.Н. Розанов. — Изд. 3-е, Перераб. и доп. _ Москва: Высш. шк, 2007. — 391 с.
2. Механические вакуумные насосы / Е.С. Фролов, И.В. Автономова, В.И. Васильев и др. — Москва: Машиностроение, 1989. — 288 с.
3. Вакуумные системы и их элементы: Справочник-атлас / Е. С. Фролов и др., М.: Машиностроение, 1968. — 200 с.
4. Вакуумная техника: Справочник / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др. — М.: Машиностроение, 1992. — 360 с.
5. Данилин, Б.С. Основы конструирования вакуумных систем / Б.С. Данилин, В.Е. Минайчев. — Москва: Энергия, 1971. — 392 c.
6. Саксаганский Г.Л. Основы расчета и проектирования вакуумной аппаратуры. — М.: Машиностроение, 1978. — 76 с.
