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:

1 мм. рт. ст. = 1.3310² Па, и 1 атм. = 760 мм. рт. ст. = 1.0110⁵ 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 К_и1=0.78

Найдем номинальную быстроту действия основного насоса S_Н1:

;

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. pпр < Kиp .

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

Выбор форвакуумного насоса

Требуемая быстрота действия м³/с. По рекомендации производителя выбираем вакуумный пластинчато-роторный 2НВР-60Д, характеристики которого приведены в таблице

Таблица 2

Коэффициент использования для второго насоса К_и2=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 Р_нач равно атмосферному =101 325 Па, рабочее давление Р_раб — 13.3 Па. Среднее давление:

Р = (Р_нач + Р_раб)/2

Р = (101 325 + 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

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 L_тр' - длина трубопровода без клапана L_тр'=L_тр — Н*2

Где Н = A используемого клапана = 90 мм;

H*2=180мм=0.18м

L_тр' = 0.88 — 0.18 = 0.7 м Получаем:

м³/с Тогда, зная проводимость клапана U_з1 = 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 Vоткачиваемый объем, м³,

Для достижения предварительного вакуума:

S_эф2 — 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 = (Р_раб + Р_ост)/2

где Р_раб — рабочее давление (13,3 Па) и Р_ост — 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

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

Требуемая быстрота действия форвакуумного насоса м³/с. Используем уже имеющиеся насосы НВД-200 и 2НВР-60Д Определение проводимости трубопроводов

Начальное давление Р_нач2 для диффузионного насоса — 35Па, рабочее давление Р_раб — 1.3 * 10^-2 Па. Внутренний диаметр трубопровода D₂=100мм. Среднее давление:

Р = (Р_нач + Р_раб)/2

Р = (13*10^-2 + 35)/2 = 17.5 Па

Р * D₂ = 17 * 0.1 = 1.75 => режим течения вязкостный Используемые затворы:

Таблица 5

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= L_тр2— 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/S_эфф=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 = (Р_нач + Р_раб)/2

Р = (101 325+ 35)/2 = 50 685 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= L_тр3— Н

Н затвора 23ВЭ-100 — 230мм: L'_тр3= 0.8−0.23=0.57

Начальное давление — 101 325 Па, рабочее — 35 Па

м³/сек Проводимость клапанов U_к2=U_к/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/S_эфф=0.261/0.34=0.767

Расчет времени откачки пушки Время достижения вакуума определяем по формуле:

T=V/S_эфф

Объёмы, откачиваемые для достижения рабочего вакуума:

Объём трубопровода 1 (от диффузионного насоса до пушки):

м³

0.1м — 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 Р_нач2 для диффузионного насоса — 35Па, рабочее давление Р_раб — 1.3 * 10^-2 Па. Внутренний диаметр трубопровода D₂=100мм. Среднее давление:

Р = (Р_нач + Р_раб)/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 S_н1(p), S_н2(p), S_эф1(p), S_эф2(p), S_Q(p).

Точка пересечения кривых S_эф1 и S_Q, показанная на графике, соответствует установившемуся режиму работы первого насоса. Давление в точке пересечения равно рабочему давлению первого насоса. Аналогично по пересечению кривых S_эф2 и S_Q 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 S_Q и S_эф1 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.

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

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

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, 2006 г.

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

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