Проектировочный расчет вакуумной системы в стационарном режиме работы
Проектировочный расчет вакуумной системы в стационарном режиме работы
Проектировочный расчет выполняется при разработке новых вакуумных машин и установок. Целью такого расчета является выбор откачного оборудования, арматуры и определение размеров соединительных трубопроводов из условия обеспечения заданного рабочего давления в вакуумной камере. Основные технологические процессы в вакуумной камере осуществляются в стационарном режиме работы вакуумной установки. Для этого режима течения газа характерно пост< шное или медленно меняющееся технологическое газовыделение.
Минимальная стоимость вакуумной системы достигается выбором оптимального значения коэффициента использования вакуумного насоса.
В качестве исходных данных при проектировочном расчете должны быть заданы: 1) суммарное технологическое газовыделение и натекание Q; 2) рабочее давление в вакуумной камере р; 3) время работы в стационарном режиме tc 4) размеры откачиваемого объекта: диаметр d, длина /; 5) дополнительные условия.
Суммарное газовыделение и натекание задается ориентировочно по аналогии с существующими конструкциями. Рабочее давление в вакуумной камере полностью определяется требованиями технологического процесса.
Время работы системы в стационарном режиме зависит от длительности осуществления техпроцесса.
Дополнительные условия могут содержать эксплуатационные и конструкторские требования: совместности работы вакуумных насосов в заданном диапазоне изменения потоков или давлений; дублирования систем с целью повышения надежности; регулировки давления в откачиваемом объекте; применения «двойной» откачки И т. д.
Проектировочный расчет вакуумной установки в стационарном режиме предусматривает следующие основные этапы: а) выбор вакуумной схемы; б) выбор вакуумных насосов; в) определение конструктивных размеров трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы.
Вакуумную схему выбирают по аналогии с существующими установками такого же назначения.
При выборе типа вакуумного насоса могут быть учтены особенности осуществляемого технологического процесса, например ртутные выпрямители удобно откачивать парортутными насосами, оборудование для пропитки катушек трансформаторов — паромасля-ными насосами, установки для изучения свойств материалов при низких температурах — криосорбционными насосами, установки с собственными магнитными полями — магниторазрядными и т. д.
Условием стационарного режима работы вакуумной установки является равенство эффективной быстроты откачки S3$ и быстроты газовыделения Sq внутри вакуумной камеры: 5Эф — Sq.
Быстроту газовыделения можно определить по формуле Sq — Q/p. Таким образом, в стационарном режиме работы для нахождения эффективной быстроты откачки насоса в вакуумной камере можно воспользоваться формулой
По найденному значению 5Эф, вакуумной схеме и типу насоса по методике, изложенной в 9.5, можно найти оптимальное значение коэффициента использования Кт вакуумного насоса, непосредственно откачивающего вакуумную камеру.
где т) — коэффициент запаса; г=2.
Производительность откачки Q для всех последовательно включенных насосов остается неизменной, papi и Лиг находят из каталогов, графиков или таблиц. Любой последовательно включенный насос, работающий при стационарном режиме, можно выбрать аналогично (9.65):
Для определения общей проводимости участка вакуумной системы от насоса до откачиваемого объекта или между двумя последовательно соединенными вакуумными насосами воспользуемся основным уравнением вакуумной техники, записав его в следующем виде:
Номинальное значение быстроты откачки насоса, откачивающего вакуумную камеру в стационарном режиме, можно определить по формуле (9.47), которая с учетом обозначений, принятых в исходных данных, примет следующий вид:
где Q и р известны из исходных данных; Кт определено; pnpi— характеристика выбранного типа насоса. Выбор типа насоса определяется условием Pnpi^KmP- Если это условие не выполняется, то необходимо выбрать насос другого типа с меньшим предельным давлением. По каталогу выбирают вакуумный насос, имеющий номинальную быстроту действия, большую или равную значению, определяемому по формуле (9.65).
Если не удается подобрать насос с необходимой быстротой действия, то можно применить параллельное включение насосов, при котором в соответствии с 9.3 эффективные быстроты откачки всех насосов суммируются в откачиваемом объекте.
Аналогично можно выбрать все последовательно включенные насосы. При этом в качестве рабочего давления i-ro насоса р,- для насосов, сжимающих газ, нужно принимать максимальное выпускное давление предыдущего насоса, а для сорбционных насосов — их наибольшее рабочее давление Aa-D
где UOt — проводимость участка вакуумной системы от t-ro насоса до предыдущего насоса или откачиваемого объекта.
Проводимость участка вакуумной системы может быть выражена через проводимости отдельных элементов — клапанов, ловушек, трубопроводов — с учетом их последовательного или параллельного
|
Типы запорной арматуры |
Диаметры условного прохода, мм |
Проводимость, м3/с |
Типы запорной арматуры |
Диаметры условного прохода, мм |
Проводимость, м3/с |
|
ЗВЭ-100 |
100 |
1,2 |
ВРП-63 |
63 |
0,102 |
|
ЗВЭ-160 |
160 |
3,34 |
ВРП-100 |
100 |
0,332 |
|
ЗВЭ-250 |
250 |
13,4 |
КМУ1-10 |
10 |
0,0014 |
|
ЗВЭ-400 |
400 |
46,25 |
КМУ1-16 |
16 |
0,0040 |
|
ВЭП-25 |
25 |
0,014 |
КМУ1-25 |
25 |
0,0140 |
|
ВЭП-63 |
63 |
0,148 |
КМУ1-40 |
40 |
0,0400 |
|
ВЭП-100 |
100 |
0,470 |
КМУ1-63 |
63 |
0,1480 |
|
ВРП-25 |
25 |
0,011 |
В молекулярном режиме течения вероятность прохождения элемента молекулами газа
где Ui — проводимость элемента; С70Т — проводимость входного отверстия; d0 — диаметр входного отверстия. Вероятность Р,- всегда может быть представлена в виде функции, зависящей только от соотношения размеров элемента,
соединения. Если на участке вакуумной системы имеется несколько последовательно соединенных элементов, число которых равно т, то должно выполняться условие
При проектировании вакуумных систем нужно стремиться к тому, чтобы проводимости всех элементов вакуумной системы были одинаковы: С/Н=и21= … … =C7mi. Из (9.68) следует, что
Uji = niUOi. Проводимость любого из элементов участка вакуумной системы должна быть в т раз больше, чем проводимость самого участка.
Сложные элементы — ловушки, клапаны, затворы — выбирают по каталогам (табл. 9.11). В случае отсутствия необходимого элемента возникает задача проектирования специального элемента. Составляется расчетная эквивалентная схема, при этом сложный элемент разбивается на более простые соединенные последовательно или параллельно расчетные элементы.
Таблица 9.11
Проводимость вакуумной запорной арматуры в молекулярном режиме течения газа
значение которой остается постоянным при подобном изменении размеров элемента. Задавшись принципиальной схемой элемента, можно определить все относительные размеры, а следовательно, и значение функции Pi. Так как значение Ui известно, то из (9.69) можно найти диаметр входного отверстия do и все остальные размеры элемента.
Пользуясь компоновочной вакуумной схемой, определяют длины всех трубопроводов. Режим течения газа можно определить по диаметру входного патрубка насоса и заданному рабочему давлению. Пользуясь приведенными ранее формулами для расчета проводимостей трубопроводов при различных режимах течения, по известной проводимости и длине трубопровода всегда можно определить его диаметр.
Рекомендуется выбирать следующие номинальные размеры условных проходов элементов вакуумных систем (мм): 0,1; 0,25; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300.
Для использования в фланцевых, штуцерных соединениях и элементах трубопроводов допускается применение следующим номинальных размеров условных проходов (мм): 8; 12, 20; 32; 50; 80; 125; 200; 320; 500; 800; 1250; 2000; 3150; 5000 (ГОСТ 18626—73).