Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
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.
Среди большого разнообразия вакуумных схем, используемых в производстве и научных исследованиях, можно выделить несколько типовых, предназначенных для получения вакуума. Основные технологические процессы в вакуумной камере осуществляются в стационарном режиме работы вакуумной установки. Для этого режима течения газа характерно постоянное или медленно меняющееся технологическое газовыделение.
Минимальная стоимость вакуумной системы достигается выбором оптимального значения коэффициента использования вакуумного насоса. Суммарное газовыделение и натекание задается ориентировочно по аналогии с существующими конструкциями. Рабочее давление в вакуумной камере полностью определяется требованиями технологического процесса.
Схема вакуумной установки представленная на рисунке 1 способна обеспечить в вакуумной камере рабочее давление от 105 до 10-4 Па, что соответствует рабочему давлению. Так как вакуумная камера имеет довольно большие размеры: диаметр=1,1м и высота=1,9м, и в процессе технологического процесса происходит довольно большое газовыделение (Qг=2 10-1 м3 Па/с) применим две линии откачки – форвакуумная и высоковакуумная.
При остановке насоса 1, закрывая клапан 6 и 19 и открывая клапан 3, можно выровнять давление на его входном и выходном патрубках и предотвратить выдавливание масла из насоса в вакуумную систему. Клапаны 6, 18,19 позволяют работать в режимах «прямой» и «обратной» откачки, соответствующих прохождению откачиваемого газа через оба насоса или через один насос предварительного разряжения. В последнем случае в откачиваемом объекте обеспечивается получение низкого вакуума. Вакуумная камера снабжена манометром 12, газоанализатором 13, клапаном 14 для подключения течеискателя и клапанами 15.
VT1, VT2, V1,…, V5 - клапаны; P1,…,P5 – манометры; NS1, NS2 – сорбционный насос; NM – магниторазрядный насос; CV – камера;
Рисунок 1 Схема вакуумной системы для получения среднего вакуума
Область давлений, используемая в современной вакуумной технике, очень широка - - Па. Измерение давлений в таком диапазоне не может быть обеспечено одним прибором. В практике измерения давления разреженных газов применяются различные типы преобразователей, отличающиеся по принципу действия и классу точности.
Приборы для измерения общих давлений в вакуумной технике называют вакуумметрами. Они обычно состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительной установки. По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа и могут быть заранее рассчитаны. В приборах для относительных измерений используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке по образцовым приборам. Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе. На рис 2 показаны диапазоны рабочих давлений различных типов вакуумметров.
В соответствии со схемой (рисунок 2) на установке должны быть размещены манометры по мере необходимости контроля и измерения вакуума. Поэтому на выбранной вакуумной схеме должны быть размещены манометр 4, необходимый для проверки работоспособности насоса 1, манометр 20, позволяющий определить эффективность работы отражателя 5, а манометр 8, который при закрытом клапане 18 контролирует предельное давление насоса 7, манометр 12, измеряющий давление в вакуумной камере.
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.
Рис. 2 Диапазон рабочих давлений вакуумметров
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:
Основываясь на характеристиках вакуумметров выбираются средства контроля и измерения вакуума. Для измерения низкого и среднего вакуума (манометр 4,20) применим термопарный вакуумметр ВТ-3 с преобразователем ПМТ-2 манометр , который имеет диапазон измеряемых давлений 1·10-1 … 7·102 Па и имеет погрешность измерения ±30%. Для измерения высокого вакуума (манометр 8,12,13) применим ионизационный вакуумметр ВИО-1 с преобразователем ПМИ-39, который имеет диапазон измеряемых давлений 7·10-9 … 1·10-1 Па и имеет погрешность измерения 13. Вакуумметры размещаем в соответствии с возможностями насосов, т.е. на низковакуумных насосах ставятся термопарные, а на высоковакуумном насосе – ионизационный вакуумметр. По данным средствам контроля давления можно определить исправность насосов. Также контроль давления должен осуществляться и на откачиваемом объекте (камера).
Для стационарного режима характерно постоянство во времени потоков и давлений во всех сечениях вакуумной системы. Газовый поток остается постоянным по длине вакуумной системы и увеличивается от одного элемента к другому за счет натекания и газовыделения.
Исходные данные:
Рабочие давление р=2·10-3 Па;
Суммарное газовыделение Q=5·10-3 м3·Па/с;
Размеры рабочей камеры: 1,4х1,2х0,7 м;
Время работы в установившемся режиме t=30 мин;
Время работы в неустановившемся режиме t=10 мин.
Для создания среднего и высокого вакуума применим магниторазрядный насос типа НМД-1 с предельным давлением рпр=7·10-8 Па и быстротой действия 1,2 м3/с.
Эффективную быстроту откачки в. откачиваемом объекте определим по формуле
Sэф1= Q/p=5·10-3/2·10-3=2,5 (м3/с)
Определим коэффициент использования высоковакуумного насоса. Пользуясь графиком на рисунке 3.1 [1] при n=3 находим для Sэф=2,5 м3/с оптимальное значение коэффициента использования Ки1=0,19.
Рисунок 3.1 – Оптимальные коэффициенты использования вакуумных насосов в зависимости от эффективной быстроты действия Sэф и числа элементов между насосом и откачиваемым объектов n.
Определим номинальную быстроту действия:
Выбираем магниторазрядный насос НМД-1 с двумя блоками питания, имеет следующие характеристики:
|
Номинальная быстрота действия, м3/с |
1,2 |
|
Диаметр входного патрубка, мм |
250 |
|
Наибольшее рабочее давление, Па |
2·10-1 |
|
Наибольшее давление запуска, Па |
7·10-8 |
|
Предельное давление, Па |
Для создания разряжения для магниторазрядного насоса используем геттерно-ионный насос с предельным давлением рпр2=7·10-8 Па и быстротой действия от 0,8 до 10 м3/с. имеющий следующие характеристики
Рабочее давление геттерно-ионный насоса выбираем по максимальному выпускному давлению паромасляного насоса с коэффициентом запаса φ=2. Тогда
р2=рвып.1/φ=2·10-1/2=0.1 (Па)
Эффективную быстроту откачки
Sэф2=Q/p2
Sэф2=5·10-3/0.1=5·10-2 (м3/с)
Определим коэффициент использования геттерно-ионного насоса. Пользуясь графиком на рисунке 3.2 при n=4 находим для Sэф=5·10-2 м3/с оптимальное значение коэффициента использования Ки2=0,19.
Рисунок 3.2 Оптимальные коэффициенты использования высоковакуумных насосов в зависимости от эффективной быстроты действия Sэф и числа элементов между насосом и откачиваемым объектов n.
Определим номинальную быстроту действия
Выбираем сорбционный насос – ЭГИН-0.8/0.1 имеет следующие характеристики:
|
Номинальная быстрота действия, м3/с |
0.8 |
|
Диаметр входного патрубка, мм |
250 |
|
Диаметр выходного патрубка, мм |
250 |
|
Наибольшее выпускное давление, Па |
3 |
|
Предельное давление, Па |
4·10-7 |
Рабочее давление спирального насоса выбираем по максимальному выпускному давлению геттеро-ионного насоса с коэффициентом запаса 2. Тогда р3=рвып.2/φ=3·100/2=1.5 (Па), что соответствует эффективной быстроте откачке
Sэф3=5·10-3/2·10--7=2.5·104 (м3/с)
Определим коэффициент использования низковакуумного насоса. Пользуясь графиком на рисунке 3.3 при n=4 находим для Sэф=2.5·104 м3/с оптимальное значение коэффициента использования Ки2=0,98.
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
Выбираем спиральный насос – ISP-1000 имеет следующие характеристики:
|
Номинальная быстрота действия, м3/с |
1 |
|
Диаметр входного патрубка, мм |
40 |
|
Диаметр выходного патрубка, мм |
40 |
|
Наибольшее выпускное давление, Па |
3 |
|
Предельное давление, Па |
1 |
3.2 Определение конструктивных размеров соединительных трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы.
Высоковакуумная система.
Найдем общую проводимость участка вакуумной системы от диффузионного насоса до вакуумной камеры по формуле
где Sm1 – быстрота действия насоса, выбранного по каталогу.
На рисунке 3.3 показаны внутренние размеры откачиваемого объекта и длины трубопроводов. Участок вакуумной системы состоит из двух элементов: клапана 1 и ловушки 2.
Рисунок 3.3 Схема высоковакуумного участка
Определим проводимости элементов и диаметры трубопроводов. Будем считать в первом приближении, что все элементы имеют одинаковую проводимость. Тогда
U1j=3·U01=3·0,28=0,84 (м3/с)
Режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению р1=6·10-2Па и диаметру входного патрубка насоса dвх=0,63м. Критерий Кнудсена
Kn=L/dэф=L1/(p*dвх)=7,5*10-3/(2*10-3*0,25)=15>1.5
Т.е. режим течения молекулярный.
При молекулярном режиме течения учитывается проводимость отверстий, следовательно общая проводимость будет определяться проводимостью трубопровода и отверстия. Диаметр четвертого трубопровода можно рассчитать из условия последовательного соединения входного отверстия и трубопровода:
Отсюда получаем d11=0,138 м. По ГОСТ 18626—73 выбираем условный проход трубопровода d11=0,160 м. Тогда проводимость участка U14=2,31м3/с, проводимость отверстия 2,33 м3/с, проводимость трубопровода 0,5 м3/с.
В качестве затвора выбираем ЗВЭ-160 с диаметром условного прохода DN=160 мм и проводимостью в молекулярном режиме течения газа 3,34 м3/с.
Диаметр трубопровода на третьем участке выберем из условия U23=0,84м3/с, тогда с учетом размеров предыдущего элемента
=0,11 мм
Выбираем d13=0,125 мм, тогда U23=1,18 м3/с.
Общая проводимость участка с учетом того, что входная проводимость насоса равна бесконечности
Коэффициент использования паромасляного 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 3.1 - Распределение давления на участке вакуумной системы от механического насоса до откачиваемого объекта
|
Название элементов |
Проводимость элемента U, м3/с |
Перепад давления на элементах ∆р, Па |
Давление на входе в элемент, Па |
Давление на выходе из элемента, Па |
|
Трубопровод 3 6 |
1,18 |
4,24·10-3 |
8,41·10-3 |
4,17·10-3 |
|
Затвор |
3,34 |
1,5·10-3 |
9,91·10-3 |
8,41·10-3 |
|
Трубопровод 1 (по длине) |
0,5 |
0,01 |
19,91·10-3 |
9,91·10-3 |
|
Трубопровод 1(входное отверстие) |
2,33 |
2,15·10-3 |
22,06·10-3 |
19,91·10-3 |
Давление во входном сечении насоса
Перепад давления на элементе 3 . Аналогично находим перепады давлений на остальных элементах, рассчитываем давления на входе и выходе каждого элемента и по полученным результатам строим график распределения давления.
Низковакуумная система
Найдем общую проводимость участка вакуумной системы от механического насоса до вакуумной камеры по формуле
где Sm2 – быстрота действия насоса, выбранного по каталогу.
На рисунке 3.4 показаны внутренние размеры откачиваемого объекта и длины трубопроводов. Участок вакуумной системы состоит из трех элементов: трубопроводов 1, 3 и клапан 2.
Рисунок 3.4 Схема низковакуумного участка
Определим проводимости элементов и диаметры трубопроводов. Будем считать в первом приближении, что все элементы имеют одинаковую проводимость. Тогда
U2j=3·U02=4·0,19=0,76 (м3/с)
Режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению р2=30Па и диаметру входного патрубка насоса dвх=0,04м. Критерий Кнудсена
Kn=L/dэф=L1/(p2*dвх)=7,5*10-3/(0,1*0,25)=0.3<1.5
Т.е. режим течения молекулярно-вязкостный.
Диаметр первого трубопровода можно рассчитать при среднем давлении в трубопроводе рср=р2=0,1 Па по проводимости
Решая полученное уравнение, имеем d1=0,053 м
Выбираем условный проход трубопровода d1=0,063м.
На втором участке выбираем клапан КВМ-63 с диаметром условного прохода DN=63мм и проводимостью 0,18 м3/с.
Диаметр третьего трубопровода можно рассчитать при среднем давлении в трубопроводе рср=р2=30 Па по проводимости
Решая полученное уравнение имеем d3=0,035 м
Выбираем условный проход трубопровода d3=0,04м.
Откуда U02=0,11 м3/с
Коэффициент использования диффузионного насоса в системе
Коэффициент Ки1=0,93.
Рассчитаем распределение давления по длине участка вакуумной системы от диффузионного насоса до откачиваемого объекта. Давление во входном сечении насоса равно
Рн2=рпр2+Q/Sm2=0,5+2*10-1/8*10-3=25,5Па
Перепад давления на элементе 7
∆Р3=Q/U23=2*10-1/0,56=0,36Па
Аналогично находим остальные перепады давлений, рассчитывая давление на входе и выходе каждого элемента. Полученные результаты заносим в таблицу 3.2
Таблица 3.2
Распределение давлений от механического насоса до откачиваемого объекта
|
Элемент |
Проводимость м3/с, |
Перепад давлений, Па |
Давление на входе, Па |
Давление на выходе, Па |
|
Трубопровод 3 |
0,56 |
0,36 |
25,86 |
25,5 |
|
Клапан 2 |
0,18 |
1,11 |
26,97 |
25,86 |
|
Трубопровод 1 |
0,67 |
0,3 |
27,27 |
26,97 |
Форвакуумный участок
Найдем общую проводимость участка вакуумной системы от механического насоса до диффузионного насоса по формуле
где Sm2 – быстрота действия насоса, выбранного по каталогу.
На рисунке 3.5 показаны внутренние размеры откачиваемого объекта и длины трубопроводов. Участок вакуумной системы состоит из трех элементов: трубопроводов 1, 3 и клапан 2.
Рисунок 3.5 Схема форвакуумного участка
Определим проводимости элементов и диаметры трубопроводов. Будем считать в первом приближении, что все элементы имеют одинаковую проводимость. Тогда
U3j=3·U03=3·0,11=0,33 (м3/с)
Режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению р2=30Па и диаметру входного патрубка насоса dвх=0,04м. Критерий Кнудсена
Kn=L/dэф=L1/(p2*dвх)=7,5*10-3/(30*0,04)=0.00625<1.5
Т.е. режим течения молекулярно-вязкостный.
Диаметр первого трубопровода можно рассчитать при среднем давлении в трубопроводе рср=р2=30 Па по проводимости
Решая полученное уравнение, имеем d1=0,053 м
Выбираем условный проход трубопровода d1=0,063м.
На втором участке выбираем клапан КВМ-63 с диаметром условного прохода DN=63мм и проводимостью 0,18 м3/с.
Диаметр третьего трубопровода можно рассчитать при среднем давлении в трубопроводе рср=р2=30 Па по проводимости
Решая полученное уравнение имеем d3=0,041 м
Выбираем условный проход трубопровода d3=0,04м.
Откуда U03=0,11 м3/с
Коэффициент использования диффузионного насоса в системе
Коэффициент Ки1=0,93.
Рассчитаем распределение давления по длине участка вакуумной системы от диффузионного насоса до откачиваемого объекта. Давление во входном сечении насоса равно
Рн2=рпр2+Q/Sm2=0,5+2*10-1/8*10-3=25,5Па
Перепад давления на элементе 7
∆Р3=Q/U23=2*10-1/0,56=0,36Па
Аналогично находим остальные перепады давлений, рассчитывая давление на входе и выходе каждого элемента. Полученные результаты заносим в таблицу 3.3
Таблица 3.3
Распределение давлений от механического насоса до откачиваемого объекта
|
Элемент |
Проводимость м3/с, |
Перепад давлений, Па |
Давление на входе, Па |
Давление на выходе, Па |
|
Трубопровод 3 |
0,56 |
0,36 |
25,86 |
25,5 |
|
Клапан 2 |
0,18 |
1,11 |
26,97 |
25,86 |
|
Трубопровод 1 |
0,67 |
0,3 |
27,27 |
26,97 |