Проектирование вакуумной системы для электронно-лучевой установки Sciaky BE-691 - Курсовая работа

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. 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.

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: 1 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 расчета 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

Расчет 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 SH1:

;

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: 1) быстрота действия насоса Sн должна быть больше расчетного значения;

2) предельное давление рпр насоса должно быть меньше, чем требуемое рабочее давление в объеме р, т.е. рпр < Ки?р .

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

0.02 < Р*D < 1.33 - молекулярно-вязкостный

P*D > 1.33 Па*м - вязкостный (ламинарный)

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 учетом их последовательного или параллельного соединения. Если на участке вакуумной системы имеется несколько последовательно соединенных 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 Ltp’ - длина трубопровода без клапана Ltp’=Ltp - Н*2

Где Н = A используемого клапана = 90мм;

H*2=180мм=0.18м

Ltp’ = 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 объеме 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 определенного 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

Объем трубопровода и камеры уже известен: м3.

Время откачки:

сек.

Часть II. Вакуумная система для электронно-лучевой пушки

Расчет 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 306x146x230

Масса, кг 8

Длина трубопровода превышает его диаметр в восемь раз, трубопровод считается коротким.

Ukop 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= Ltp2- 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: Ukop м3/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= Ltp3- 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 Uk2=Uk/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

Объемы, откачиваемые для достижения рабочего вакуума: Объем трубопровода 1 (от диффузионного насоса до пушки): м3

0.1м - дополнительный объем создаваемый тройником

Объем пушки: 0.012м3

Объем 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 расчеты

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.

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 ее конструкция. Проведен предварительный расчет выбранной схемы вакуумной системы, расчет действительных значений и проверочные расчеты.

Список использованной литературы

1. Вакуумная техника: справочник. / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др, 1992г.

2. Юрьев А.В. «Расчет вакуумных систем» 2012г.

3. 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.

4. Курс лекций «Проектирование технологического оборудования и оснастки для обработки материалов КПЭ» / Щербаков А. В. 2013г.

5. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учеб. для вузов по спец. «Вакуумная техника». - 2 изд., перераб. и доп. - М.: Выс. шк. 1990г.

Размещено на .ru