Проектирование вакуумной системы для электронно-лучевой установки Sciaky BE-691
Введение
В данной курсовой работе проводилось
проектирование вакуумной системы для электронно-лучевой установки Sciaky
BE-691.
Вакуум (от лат. - пустота) называют состояние
газа или пара при давлении ниже атмосферного. Единицей измерения давления в
системе СИ является 1 Па = 1 Н/м2, а наиболее распространенной
внесистемной единицей давления - 1 мм. рт. ст. Между ними и величиной
атмосферного давления существует следующая связь:
мм. рт. ст. = 1.33×102
Па, и 1 атм. = 760 мм. рт. ст. = 1.01×105 Па
Вакуумная система является неотъемлемой частью
установки для сварки в вакууме. Целью расчёта вакуумных систем является выбор
средств откачки (насосов предварительного и окончательного разрежения),
измерительной аппаратуры, определение времени предварительного разрежения и
времени достижения рабочего вакуума.
вакуумный насос трубопровод
Часть I.
Вакуумная система для сварочной камеры
Расчёт вакуумной системы
Выбор и описание схемы вакуумной системы
Схема вакуумной системы включает в себя
последовательно: 1-форвакуумный пластинчато-роторный насос; 2- двухроторный
(Рудса) насос; 4-проходной клапан; 12-сварочная камера; 7- клапан-натекатель
для напуска.
Размеры вакуумной камеры: 600 мм - длина, 600 мм
- высота, 600 мм - ширина.
Рабочий вакуум в камере: 13 Па (1*10-1
мм.рт.ст).
Суммарное газовыделение и натекание Q
= 1·10-1 м3·Па/с.
Определение быстроты откачки
Быстротой откачки объекта или эффективной
быстротой откачки насоса называется объем газа, поступающий в единицу времени
из откачиваемого объекта в трубопровод через сечение при давлении р.
Если считать, что газовыделение постоянно во
времени, то можно определить необходимую эффективную быстроту откачки:
Рабочее давление в камере:
Р1=13 Па;
м3/с. (7.5 л/с)
Коэффициент использования основного насоса Ки1=0.78
Найдем номинальную быстроту действия основного
насоса SН1:
;
где Ppr1-предельное
давление для двухроторных насосов
м3/с.(9.649 л/с)
Исходя из полученных данных
проводится подбор насосов.
Выбор насосов и определение конструктивных
параметров трубопроводов
Выбор основного насоса
При выборе вакуумных насосов для установившегося
режима должно выполняться два условия:
) быстрота действия насоса Sн должна быть больше
расчетного значения;
) предельное давление рпр насоса должно быть
меньше, чем требуемое рабочее давление в объеме р, т.е. pпр < Kи×p
.
Предельное давление - это
минимальное давление, которое устанавливается в процессе длительной откачки.
Предельное давление в рабочем объеме р будет всегда выше, чем на входе насоса
рпр и это связано с ограниченной проводимостью трубопровода, т.е.
Нам подходит высоковакуумный
двухроторный (Рудса) насос с номинальной быстротой откачки больше расчетной
НВД-200, основные характеристики которого приведены в таблице
Таблица 1
Параметр
|
Значение
|
Быстрота
откачки воздуха, м3/с (л/с)
|
0.05 (50)
|
Предельное
остаточное давление, Па
|
1.3×10-1
|
Наибольшее
давление запуска, Па
|
133
|
Условный проход
входа, мм
|
63
|
Выхода,
мм
|
40
|
Требуемая
быстрота действия форвакуумного насоса, м3/с (л/с)
|
0.005
(5)
|
Габаритные
размеры, мм
|
890х372х300
|
Выбор форвакуумного насоса
Требуемая быстрота действия м3/с.
По рекомендации производителя выбираем вакуумный пластинчато-роторный 2НВР-60Д,
характеристики которого приведены в таблице
Таблица 2
Параметры
|
Значение
|
Быстрота
действия м3/с (л/с)
|
0.0176(17.6)
|
Предельное
остаточное давление, Па
|
1*10-2
|
Диаметр
входного патрубка, мм
|
70
|
Габаритные
размеры
|
831х373х212
|
Коэффициент использования для второго насоса Ки2=0.8
Из конструкторских соображений, диаметр
используемого трубопровода принимаем 0.63м (63мм).
Определение проводимости трубопроводов
В первую очередь необходимо знать режим течения,
для чего используются критерии Кнудсена:
Для воздуха при Т=293К -
Р*D
< 0.02 Па*м - молекулярный режим
.02 < Р*D
< 1.33 - молекулярно-вязкостный
Где Р - среднее давление в трубопроводе и
D - его диаметр.
Начальное давление Рнач равно
атмосферному =101325 Па, рабочее давление Рраб - 13.3 Па. Среднее
давление:
Р = (Рнач
+ Рраб )/2
Р = (101325 +
13.3)/2 = 5.067*104
Р * D
= 5*104 * 0.063 = 3.192*103 => режим течения
вязкостный
Насосы соединены напрямую по принципу
конструкции АВД-50/16 и рассматривать проводимость или возможность добавления
между ними затвора не имеет смысла.
Рассматриваем только проводимость трубопровода
от насосов до камеры.
Проводимость участка вакуумной системы может
быть выражена через проводимость отдельных элементов - клапанов, ловушек,
трубопроводов - с учётом их последовательного или параллельного соединения.
Если на участке вакуумной системы имеется несколько последовательно соединённых
элементов, число которых равно m,
то должно выполняться условие
Таблица 3 Характеристики клапана
КВМ-63
Dy, мм
|
63
|
Поток
натекания, Па·м3/с
|
10-7
|
Проводимость,
м3/с
|
0.18
|
Время
срабатывания, с
|
0.5
|
Присоединительные
размеры: D, мм d, мм n
А,
мм
|
110 М9 4
90
|
Габаритные
размеры, мм
|
306x146x112
|
Масса,
кг
|
8
|
Далее, определяем проводимость труб. Для участка
от диффузионного насоса: L1
= 0,88 м; D = 0,063. Ввиду
одинакового диаметра рассматриваем трубы совместно. Т.к. длина трубопровода
более чем в десять раз превышает его диаметр, трубопровод можно считать
«длинным». Проводимость длинного трубопровода:
Где Lтр’ - длина
трубопровода без клапана Lтр’=Lтр - Н*2
Где Н = A
используемого клапана = 90мм;
H*2=180мм=0.18м
Lтр’ = 0.88 -
0.18 = 0.7 м
Получаем:
м3/с
Тогда, зная проводимость клапана Uз1 = 0,18 м3/с,
можно рассчитать проводимость всего трубопровода.
;
= 0.18 м3/с.
Из этого значения, по основному
уравнению вакуумной техники можно узнать эффективную скорость откачки каждого
насоса
И вычислить действительный
коэффициент использования
Расчет времени откачки вакуумной камеры
Время достижения требуемого давления в
откачиваемом объёме определяем по формуле:
где V
-откачиваемый объем, м3,
Для достижения предварительного
вакуума:
Sэф2 -
эффективная быстрота откачки форвакуумного насоса, м3/с,
р1 и р2 -
атмосферное давление и давление, необходимое для запуска основного насоса, Па.
Объем вакуумной камеры: м3.
Объем трубопроводов:
м3.
Свободный объем вакуумной камеры и
трубопроводов:
,
м3.
Время предварительного разряжения:
сек.
Время достижения рабочего вакуума
определяется аналогично:
,
где р2 и р3 -
давление, необходимое для пуска диффузионного насоса и рабочее давление в
вакуумной камере, Па.
сек
Суммарное время откачки насосов:
мин
Расчет времени откачки пушки между циклами
сварки
В процессе сварки, когда давление выделившихся
газов достигает определённого значения пушку необходимо снова откачать. В
рассматриваемом случае это давление 133 Па (1 миллиметр ртутного столба)
При таком давлении в трубопроводе образуется
другой режим течения:
Р = (Рраб
+ Рост )/2
где Рраб - рабочее давление (13,3 Па)
и Рост - давление достигнуто в процессе очередного цикла сварки и
которое требуется откачать обратно до рабочего (133 Па)
Р = (13.3 +
133)/2 = 73.15 Па
Р * D=
73.15 * 0.063 = 4.6 => режим течения вязкостный
=2.239м3/сек
;
= 0.167 м3/с.
Для откачки пользуемся насосом
НВД-200
Таблица 4
Параметр
|
Значение
|
Быстрота
откачки воздуха, м3/с (л/с)
|
0.05 (50)
|
Его эффективная быстрота откачки при
проводимости 0.167 м3/с:
Коэффициент использования
Объём трубопровода и камеры уже
известен: м3.
Время откачки:
сек.
Часть II.
Вакуумная система для электронно-лучевой пушки
Расчёт вакуумной системы
Выбор и описание схемы вакуумной системы
Рабочий вакуум в пушке: 13*10-3 Па
(1*10-5 мм.рт.ст).
Суммарное газовыделение и натекание Q
= 1·10-3 м3·Па/с.
Определение быстроты откачки
м3/с. (129 л/с)
Выбор насосов и определение конструктивных
параметров трубопроводов
Выбор основного насосов
Нам подходит высоковакуумный
дифузионный насос с номинальной быстротой откачки больше расчетной НВДМ-100,
основные характеристики которого приведены в таблице
Таблица 5
Параметр
|
Значение
|
Быстрота
откачки воздуха, м3/с (л/с)
|
0.34 (340)
|
Предельное
остаточное давление, Па
|
6.6×10-5
|
Наибольшее
давление запуска, Па
|
35
|
Условный проход
входа, мм
|
100
|
Выхода,
мм
|
25
|
Требуемая
быстрота действия форвакуумного насоса, м3/с (л/с)
|
0.005
(5)
|
Габаритные
размеры, мм
|
890х372х300
|
Требуемая быстрота действия
форвакуумного насоса м3/с.
Используем уже имеющиеся насосы НВД-200 и 2НВР-60Д
Определение проводимости трубопроводов
Начальное давление Рнач2 для
диффузионного насоса - 35Па, рабочее давление Рраб - 1.3 * 10-2
Па. Внутренний диаметр трубопровода D2=100мм.
Среднее давление:
Р = (Рнач
+ Рраб )/2
Р = (13*10-2
+ 35)/2 = 17.5 Па
Р * D2
= 17 * 0.1 = 1.75 => режим течения вязкостный
Используемые затворы:
Таблица 5
Dy, мм
|
100
|
Поток
натекания, Па·м3/с
|
10-7
|
Проводимость,
м3/с
|
1.3
|
Время
срабатывания, с
|
0.5
|
Присоединительные
размеры: D, мм d, мм n
|
110 М9 4
|
Габаритные
размеры, мм
|
Масса,
кг
|
8
|
Длина трубопровода превышает его диаметр в
восемь раз, трубопровод считается коротким.
Uкор
где Uв -
проводимость длинного трубопровода в вязкостном режиме, K1 - табличное
значение, зависящее от параметров трубопровода и откачиваемого газа.
В данном случае К1=1.9
Проводимость длинного трубопровода в
вязкостном режиме:
где L’тр2=
Lтр2- 2Н
поскольку на участке два клапана КВМ-63
Где 2Н = A*4
используемого клапана = 360мм=0.36м;
L’тр=
1.534-0.36=1.174м;
Начальное давление - 35 Па, рабочее
- 1.3*10-2
Тогда:
Uкорм3/сек
Проводимость всего участка:
м3/с
Эффективная скорость откачки
диффузионного насоса
м3/с
Действительный коэффициент
использования
Ки=Sn/Sэфф=0.261/0.34=0.767
Для трубопровода от форвакуумных
насосов до пушки.
Проводимость трубопровода от затвора
2ЗВЭ-100 до пушки уже известна, отдельно рассчитываем проводимость участка от
форвакуумных насосов до затвора.
Р = (Рнач + Рраб
)/2
Р = (101325+ 35)/2 = 50685 Па
Р * D = 5*104*
0.63 = 3*103 => режим течения вязкостный
Длина трубопровода превышает его
диаметр более чем в десять раз, трубопровод считается длинным.
Проводимость длинного трубопровода в
вязкостном режиме:
где L’тр3=
Lтр3- Н
Н затвора 23ВЭ-100 - 230мм : L’тр3=
0.8-0.23=0.57
Начальное давление - 101325 Па,
рабочее - 35 Па
м3/сек
Проводимость клапанов Uк2=Uк/2=0.18/2=0.09
м3/сек
Проводимость всего участка:
м3/с
Эффективные скорости откачки
форвакуумных насосов
м3/с
м3/с
Действительный коэффициент
использования
Ки=Sn/Sэфф=0.261/0.34=0.767
Расчет времени откачки пушки
Время достижения вакуума определяем по формуле:
T=V/Sэфф
Объёмы, откачиваемые для достижения рабочего
вакуума:
Объём трубопровода 1 (от диффузионного насоса до
пушки):
м3
.1м - дополнительный объём
создаваемый тройником
Объём пушки: 0.012м3
Объём трубопровода 2 (от
форвакуумных насосов до трубопровода 1):
м3
Время достижения предварительного
вакуума для запуска насоса НВД-200
сек
Время достижения предварительного
вакуума для запуска насоса НВДМ-100
сек
Время достижения рабочего вакуума
сек
Суммарное время откачки до рабочего
вакуума:
t1+ t2+t3=
4.554+0.428+0.259=5.242сек
T=0.087мин
Начальное давление Рнач2 для
диффузионного насоса - 35Па, рабочее давление Рраб - 1.3 * 10-2
Па. Внутренний диаметр трубопровода D2=100мм.
Среднее давление:
Р = (Рнач
+ Рраб )/2
Р = (13*10-2
+ 35)/2 = 17.5 Па
Р * D2
= 17 * 0.1 = 1.75 => режим течения вязкостный
Часть III.
Проверочные расчёты
Графическая проверка совместимости работы
вакуумных насосов
Согласование последовательно работающих насосов
осуществляется:
по потоку откачиваемых газов;
по выпускному давлению основного насоса;
по диаметру соединяющего трубопровода
Проверяем совместность работы насосов
графически.
С целью найденных действительных значений в
системе откачки вакуумной камеры, построим графики зависимости Sн1(p),
Sн2(p), Sэф1(p),
Sэф2(p),
SQ(p).
Точка пересечения кривых Sэф1
и SQ, показанная на
графике, 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. Так как оно меньше, чем максимальное выпускное
давление первого насоса, следовательно, насосы работают совместно.
Условием запуска системы можно считать
отсутствие двойного пересечения кривых SQ
и Sэф1
в промежутке рабочих давлений. Следовательно, система запускается.
Такую же проверку производим для режима откачки
пушки.
Выводы по работе
В данной курсовой работе была проведена
разработка вакуумной системы, позволяющая проводить процесс электронно-лучевой
сварки при давлении 1,3·10-2 Па с использованием установки Sciaky
типа BE691, и
предложена её конструкция. Проведен предварительный расчет выбранной схемы
вакуумной системы, расчёт действительных значений и проверочные расчёты.
Список использованной литературы
1. Вакуумная техника: справочник.
/ Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др, 1992г.
2. Юрьев А.В. «Расчёт вакуумных
систем» 2012г.
. Оборудование для обработки
материалов концентрированными потоками энергии: учебное пособие. / В.Н.
Ластовиря, М.А. Каримбеков, А.Л. Гончаров; под ред. В.М. Качалова. - М.:
Издательство МЭИ, 2006г.
. Курс лекций «Проектирование
технологического оборудования и оснастки для обработки материалов КПЭ» /
Щербаков А. В. 2013г.
. Розанов Л.Н. Вакуумная
техника: Учеб. для вузов по спец. «Вакуумная техника». - 2 изд., перераб. и
доп. - М.: Выс. шк. 1990г.