Расчет вакуумной системы установки с разработкой конструкции вакуумного элемента

     МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ 

     БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

     Кафедра “ВиКТ” 
 

     КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 

     Расчет  вакуумной системы установки  с разработкой конструкции вакуумного элемента 
 
 
 
 
 

Выполнил         Прохоров Е.В.

Руководитель        Иванов И.А. 

Минск-2009

 

Содержание 

Введение………………………………………………..…………………

1. Разработка  вакуумной схемы установки……………………………

2. Выбор средств  контроля и измерения вакуума  и определение их мест размещения  на вакуумной схеме ………………..……………………………….

3.Расчет стационарного  режима работы вакуумной установки  ………………

3.1 Выбор средств  получения и поддержания вакуума…………..……………

3.2 Определение  конструктивных размеров соединительных  трубопроводов и выбор элементов  вакуумной системы…………………………………………

4. Проверочный  расчет ……………………………….…………………………

5. Расчет в  неустановившемся режиме работы…………………………………

6. Разработка  конструкции вакуумного элемента  и его деталировка ...............

Заключение.............................................................................................................

Список использованных источников...................................................................

Приложение

 

     Введение 

     Вакуум, как его понимают в технике,- это  сильно разреженный газ. Приборы  и устройства, в которых тем  или иным образом используется вакуум, широко применяются в самых разных областях науки и техники. Вакуум был известен еще в далекой  древности. Считается, что первые приборы  для получения разреженного воздуха  были созданы греческими учеными  из Александрии Ктесибием (I век до н.э.) и Героном (I век н.э.). Но долгое время их приборы оставались лишь забавными игрушками - достаточно насущной потребности в вакуумной технике  у человечества не возникало вплоть до начала XIX века. Умение достигать  высокой степени разрежения газа позволило физикам сделать в  конце XIX – начале XX века ряд открытий. Так, например, Т.А. Эдисоном в 1883 г. была открыта термоэлектронная эмиссия  после нескольких лет исследований, проводившихся разными учеными. С этого момента вакуумная  техника становится технологической  основой электровакуумной промышленности. Расширение практического применения вакуумной техники сопровождалось быстрым развитием методов получения  и измерения вакуума

     На  практике сильно разреженный газ  называют техническим вакуумом. Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Условно весь диапазон давлений для реальных размеров вакуумных  приборов может быть разделён на поддиапазоны следующим образом:

• Низкий вакуум - область давлений 760 – 1 Торр (мм рт.ст)
• Средний вакуум - область давлений 1 – 10-3 Торр (мм рт.ст)
• Высокий вакуум - область давлений 10-3 – 10-7 Торр (мм рт.ст)
• Сверхвысокий вакуум - соответствует давлению 10-9 Торр и ниже.
• Давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10-30 Торр и ниже.

   Для получения  вакуума используется вакуумный  насос - устройство, служащее для удаления (откачки) газов или паров. Вакуумные  насосы классифицируют как по типу вакуума, ими вырабатываемого, так  и по устройству. Для регулирования  процессов в вакуумной системе  используется вакуумная запорная арматура различных видов: вакуумные клапана, вакуумные затворы, вентили и  т.д. Для соединений элементов вакуумной  техники используются вакуумные  соединения: фланцы, хомуты и пр... Для  измерения вакуума используются вакуумметры, преобразователи ионизационные, термопарные, магнитные и другие средства измерения вакуума.

   Для получения  той или иной степени вакуума  требуются соответствующие вакуумные  насосы или их комбинация. Выбор  вакуумного насоса определяется родом  и количеством пропускаемых насосом  газов и диапазоном рабочих давлений насоса и его параметрами. К сожалению  не существует такого насоса, с помощью  которого можно было бы обеспечить вакуум во всем диапазоне давлений. Вакуумные насосы по назначению подразделяются на сверхвысоковакуумные, высоковакуумные, средневакуумные и низковакуумные, а в зависимости от принципа действия – на механические и физико-химические. Механические насосы подразделяются на объёмные и молекулярные. Объёмные насосы осуществляют откачку за счёт периодического изменения объёма рабочей  камеры. В основном они используются для получения предварительного разряжения. К ним относятся поршневые, жидкостно-кольцевые, ротационные (вращательные). Наибольшее распространение в вакуумной  технике получили вращательные насосы.

   К высоковакуумным  механическим насосам относятся: пароструйные насосы (парортутные и паромасляные), турбомолекулярные насосы. Молекулярные насосы осуществляют откачку за счёт передачи молекулам газа количества движения от твёрдой, жидкой или парообразной быстродвижущейся поверхности. К ним  относятся водоструйные, эжекторные, диффузионные молекулярные насосы с одинаковым направлением движения откачивающей поверхности и молекул газа и турбомолекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движением твёрдых поверхностей и откачиваемого газа.

   Основные  типы вакуумных насосов:

Механические: пластинчато-роторные, золотниковые, Рутса, поршневые, диафрагменные, винтовые, спиральные, турбомолекулярные, магниторазрядные;

Струйные: паромасленные  диффузионные, паромасленные бустерные, водокольцевые;

Сорбционные;

Криогенные.

     Применение  вакуумной технике в различных  отраслях столь обширно, что перечисление может занять несколько страниц  текста. Вот только некоторые из них:

• Установки для обработки и размельчения мяса, выделки колбас;
• Проводки централизованных вакуумных систем (агрегаты центрального вакуума для больниц, лабораторий, НИИ и т.д.);
• Присосочно-транспортирующие установки;
• Вакуумные держатели;
• Канализационные проводки под вакуумметрическим давлением;
• Установки для отгазирования, отсасывания, фильтрации;
• Вакуумные камеры для дезинфекции;
• Установки для откачивания масел и других жидкостей в обрабатывающих станках, автомобилях и т.д.;
• Аэроиспытательные камеры;
• Вакуумные упаковочные машины;
• Установки для вакуумной сушки;
• Производство зеркал и тонирование стекол;

и т.д.

     1 Разработка вакуумной  схемы установки

     Исходные  данные к проекту:

1. Рабочее давление – 6*10^-3 Па
2. Суммарное газовыделение - 1*10^-1 м³*Па/с
3. Размеры рабочей камеры – ø=1м; h=0,7 м
4. Время работы в установившемся режиме – 60 мин.
5. Время откачки в неустановившемся режиме – 10 мин.
6. Разработать вакуумный клапан.

    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.

1. 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 выполнения этого требования является подбор материалов, из которых будут изготовлены вакуумная система и ее элементы, а также методы подготовки вакуумной системы к работе.
2. Вакуумная система должна обеспечить возможность получения требуемой быстроты откачки объема. Для этого вакуумная система должна иметь определенную проводимость, а применяемые вакуумные насосы должны обладать необходимой быстротой действия.
3. 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.).
4. 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.
5. 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 6·10^-3 Па. Так как вакуумная камера имеет довольно большие размеры (D=1 м и h=0,7 м) и в процессе технологического процесса происходит довольно большое газовыделение (Q_г=1·10^-1 м³ Па/с) применим две линии откачки – форвакуумная и высоковакуумная. Также применение двух линий откачки позволит уменьшить время откачки вакуумной камеры до рабочего давления, увеличит производительность системы и снизит износ механического насоса в режиме наибольшей интенсивности работы (т.е. при низком вакууме), что позволит уменьшить расходы на ремонт и обслуживание установки. При откачке камеры, которая имеет намного больший объем чем диффузионный насос, используется один насос, который после достижения низкого вакуума отключается и не работает, а диффузионный насос откачивает другой насос меньшей производительности, причем он работает постоянно, но при наиболее благоприятных условиях (низком давлении), что также снижает его износ.

    

    CV – вакуумная камера; ND1- ND2 – насос вакуумный диффузионный; NL – насос вакуумный вращательный; PM1-PM2 – вакуумметр магниторазрядный; PT1-PT2 – вакуумметр термопарный; VП1 – клапан регулирующий-дозирующий; VP1-VP5 – клапан пневматический;VF-клапан напуска технологического газа.

    Рисунок 1.1 – Схема вакуумной  установки

    Вакуумная система для получения высокого вакуума имеет один механический вращательный насос (NL) и два турбомолекулярных насоса (NR). Насос NL обеспечивает предварительное разряжение в камере и обеспечивает предварительное разряжение в паромасляном насосе. Паромасляные насосы NR1 и NR2 позволяют получить высокий вакуум. Быстрота действия и предельное давление механического насоса NL должны быть согласованы с характеристиками насоса для получения высокого вакуума. Вакуумметр PT2 предназначен для проверки работоспособности механического вакуумного насоса. Клапан регулирующий-дозирующий VП3 служит для выравнивания давления на входном и выходном патрубке насоса при закрытии клапана VP2 или VP3. Вакуумная камера снабжена вакуумметрами PM1 и PT1 для определения давления в ней, а так же клапаном регулирующим-дозирующим VП1 для напуска балластного инертного газа.

2 Выбор средств  контроля и измерения  вакуума и определение  их мест размещения  на вакуумной схеме

     Диапазон  технологически используемого вакуума  распространяется на большую область  давлений - от атмосферного давления в 1000 мбар до сверхвысокого вакуума  порядка 10-12 мбар. Для измерения этого  давления служат вакуумметры. Существующие физические методы измерения не позволяют  производить замер величины вакуума  на всем диапазоне с помощью только одного измерительного принципа. Для  диапазонов низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума существует ряд специальных сенсоров и измерительных  приборов.

     Для покрытия большинства областей измерения  предлагаются комбинированные сенсорные  системы.

     При выборе средств измерения важным является не только диапазон измерения  давления, а также механические и  химические нагрузки на датчик и его  надежность. Некоторые средства измерения  имеют управляющую электронику  и могут, соответственно, использоваться как контроллеры вакуума.

     1. Выбор датчиков для «промежуточного»  вакуума

     Задача  измерения «промежуточного» вакуума  широко распространена.

     Практически все применения, относящиеся к  данной группе, можно разделить следующим  образом:

     - Наблюдение за процессом откачки  вакуумных камер от атмосферы  до заданного вакуума

     - Измерение квазипостоянного давления  в установках.

     1.1. Наблюдение за процессом откачки

     В этом случае часто используются термопарные  датчики, или датчики конвекционного типа. В области среднего вакуума применение датчиков данного типа полностью удоволетворяет обычным требованиям. Для высоковакуумных применений эти датчики используются для контроля старта высоковакуумного насоса.

     1.2. Измерение постоянного давления 

     Ряд применений требует начальной откачки  до базового давления, после чего объем  заполняется газом до требуемого технологическим процессом давления. Для обеспечения необходимых  для подобных применений воспроизводимости  и точности применяют емкостные  диафрагменные датчики вакуума.

     Емкостные диафрагменные датчики характеризуются  высокой точностью и при этом их показания не зависят от характеристик  остаточных газов. Типовая точность этих датчиков составляет от 0.12% до 1.5%.

     Датчики среднего вакуума часто используют также и для контроля предварительного вакуума в процессе работы или  для начальной откачки высоковакуумных  насосов (таких, как турбомолекулярные  насосы, крионасосы или диффузионные насосы).