МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. Баумана

Факультет: «Машиностроительные технологии»

Кафедра: «Электронные технологии в машиностроении»

УВН.00.00 ПЗ

Расчетно – пояснительная записка

к курсовому проекту

по курсу «Вакуумная Техника»

на тему:

«Лабораторная установка низкотемпературного обезвоживания в вакууме».

Студент: Круглов Ю.П.

Группа: МТ11-71

Преподаватель: Ивченко Е.А.

2012 г

Оглавление

Аннотация……………………………………………………………………………..3

Техническое задание………………………………………………………………….4

Кинематическая схема установки……………………………………………………5

Выбор вакуумной системы установки………………………………………………6

Выбор типовых элементов вакуумной системы……………………………………7

Циклограмма работы установки…………………………………………………..…8

Проектировочный расчет системы откачки…………………………………………9

Проверочный расчет вакуумной системы……………………………………….….12

Расчет прочностных характеристик камеры и выбор некоторых её элементов….15

Расчет герметичности резиновых уплотнений………………………………….…..16

Расчет толщины стекла…………………………………………………………...…..17

Заключение…………………………………………………………………………….18

Список использованной литературы…………………………………………….…..19

Спецификация…………………………………………………………………………20

Аннотация

В курсовом проекте по курсу «Основы вакуумной техники» была спроектирована вакуумная система установки напыления.

Графическую часть проекта составляют 5 листов формата A1, выполненные в среде Компас – 3D v13 и Inventor 2011

Расчётно-пояснительная записка выполнена в среде Microsoft Word и содержит 22 страницы.

Курсовой проект содержит следующие подразделы:

• Схема вакуумной системы установки, циклограмма работы вакуумной системы, эквивалентные схемы откачки участков трубопровода, график изменения давления во времени.

• Общий вид установки на раме.

• Типовые элементы вакуумной системы.

• Вид вакуумной камеры

В данной курсовой работе были произведены расчёт и выбор вакуумных насосов установки напыления по заданным техническим условиям. Вакуумные насосы выбирались с тем условием, чтобы время откачки не превышало заданного. Смотровые окна, клапаны, и прочие элементы выбирались с условием их конструктивных особенностей. Был произведен расчет толщины стенок вакуумной камеры и расчёт потока газонатекания через резиновые уплотнения. Созданы спецификации сборочных чертежей.

Выбор вакуумной системы установки

На листе № 1 представлены два варианта схемы , которые можно использовать при откачке системы. С учётом предъявленных к системе требований по рабочему и предельному давлению в рабочей и шлюзовой камерах выбран вариант №1 , как наиболее приемлемый и правильный. Предложенная схема проста, компактна, полностью отвечает предъявленным к ней требованиям.

Схема состоит из следующих элементов:

1 - рабочая камера (Вакуумный колпак)

2 - натекатель

3 - мембранный манометр

4,6 - затвор

5 - конденсор

7 - натекатель (3300Па)

8 - Водокольцевой насос

Выбор типовых элементов вакуумной системы

Выбор насоса

Для откачки был выбран насос Robuschi RVS3/M, обладающий всеми необходимыми характеристиками.

Выбор запорно-регулирующей арматуры

Для перекрытия трубопроводов были выбраны шаровые краны. В качестве клапана напуска атмосферы был выбран электромагнитный клапан

Выбор манометров

Для измерения высокого давления был выбран тепловой датчик ВТ-3 работающий в диапазоне давлений 10⁵…5∙10^-2 Па, а для измерения низкого давления – ионизационный датчик ВИ-12 той же фирмы, работающий в диапазоне давлений 1…10^-7 Па. Датчики подключаются к единому блоку преобразования, который позволяет выводить на экране результаты измерений в цифровом виде двух датчиков одновременно. Датчики работают в любых пространственных положениях, имеют хорошую степень перекрытия измеряемых давлений.

Проектирование конденсора.

Для повышения производительности установки и снижения нагрузки на насос необходимо собрать устройство, конденсирующее пары воды и собирающее их в емкость. Сейчас на рынке в свободной продаже имеются медные трубки диаметров 5/8 дюйма и ¼ дюйма. Их будем использовать для змеевика, который необходимо охлаждать во время течения по нему газа (водяных паров) и змеевика фреоновой трубки (фреон используем в качестве хладагента) соответственно. Более того, на выходном конце газового змеевика необходимо сконструировать рассеиватель для повышения площади охлаждения газа (для этой же цели используем навитые змеевики для фреона и водяных паров). Расчет прочности приведен ниже.

Циклограмма работы установки

Перед началом откачки оба насоса выводятся на установившийся режим работы. Кассета с подложками установлена и произведена загрузка рабочей камеры.

В начале цикла элементы находятся в следующих состояниях:

VT1 – открыт

VT2 – открыт

VF1 – открыт

VF2 – закрыт

Сначала происходит охлаждение конденсора. Далее, происходит откачка рабочей камеры и конденсора до давленя 7300Па. Рабочий объем откачивается водокольцевым насосом. Включается нагреватель, происходит процесс сушки. При окончании процесса закрываются клапаны VT2 и VT1 и открывается клапан VF2. Тем самым происходит напуск атмосферы под вакуумный колпак. Открывается клапан VT2, тем самым происходит напуск атмосферы в конденсор. Колпак снимается, на основание камеры кладется новый высушиваемый образец. Технологический цикл повторяется.

Проектировочный расчёт системы откачки

Расчёт геометрических параметров камер.

Объём рабочей камеры и конденсора:

м³.

Расчёт потока газовыделения со стенок камеры.

Поскольку рабочее давление в камере 5600Па поток газовыделения будет ничтожно мал. Следовательно, им можно пренебречь.

Выбор насоса откачки

Выбор насоса будем осуществлять отталкивая сь от требуемой скорости откачки. Можно использовать следующие насосы:

1. ВВН1-0.75

2. Robuschi RVS3/M

3. ZM Engineering ZLR-M 10

4. Elmo Reitschle L-BV3

Отечественный насос ВВН1-0.75 громоздок и не дает необходимого остаточного давления, поэтому его сразу стоит отбросить.

Насос ZM Engineering ZLR-M 10 потребляет мало рабочей жидкости (воды), компактен и имеет низкий вес, однако имеет низкую мощность, что может негативно сказаться на рабочих характеристиках.

Насос Elmo Reitschle L-BV3 подходит по всем характеристикам, но имеет высокую стоимость.

После анализа 4-х предложенных насосов, остановим выбор на Robuschi RVS3/M Характеристики насоса:

- быстрота действия – S_н=40 м³/час;

- предельное давление Р^'_н=3300Па;

- условный диаметр входного патрубка Д_у=25,4 мм.

- рабочее давление 10⁵ – 3300 Па

Расчёт проводимости трубопроводов

Критерии режимов течения газа в трубопроводе:

• P·d<0.004 Па•м – молекулярный режим;

• 0.004<P·d<1.2 Па•м – молекулярно-вязкостный;

• P·d>1.2 Па•м – вязкостный режим.

Проводимость форвакуумной линии

Давление в трубопроводе находится в пределах 100кПа-3.3кПа.

Очевидно, что трубопровод будет работать только в вязкостном режиме.

Проводимость трубопровода в вязкостном режиме

Будем считать все элементы ветки отрезками трубы.

м³/с или 1184 м³/час

Проверочный расчёт вакуумной системы

Расчёт быстроты откачки

Рассчитаем быстроту откачки в каждом трубопроводе для существующих в них режимов течения газа и сравним её с быстротой действия соответствующего насоса, производя, таким образом, проверку правильности их выбора.

Критерий оценки пригодности насоса: быстрота действия насосов должна быть больше реальной быстроты откачки, т.е. S_н>S_o , где S_o =Q/P_p.

Форвакуумная откачка

Вязкостный режим

м³/с;

S_ом=0,01м³/с > S_о= 0,0027 м³/с

Проверка пройдена

Расчёт времени откачки

Расчёт будем производить по формуле

, где

Р₁ – начальное давление для данного режима;

Р₂ – конечное давление для данного режима;

Р^'_н – предельное давление насоса;

S_o – быстрота откачки для данного режима;

V – объём камеры

Форвакуумная откачка

Вязкостный режим

Р₁=10⁵ Па;

Р₂=7300 Па;

Р^’_н=3300 Па;

S_ов=0.01 м³/с;

Время откачки:

Расчёт конденсора

Проверочный расчёт толщины стенок конденсора на прочность

Расчет вакуумных камер на прочность является проверочным и сводится к определению допускаемого наружного давления, которое стенка способна выдержать при заданной предполагаемой толщине. Расчет проводится по теории тонкостенных оболочек, т. е. таких оболочек, у которых толщина стенки s является малой величиной по сравнению с радиусом кривизны.

При конструировании камер предпочтение отдают осесимметричным конструкциям, поверхности которых образованы телами вращения.

В нашей установке оболочка конденсора является цилиндрической d=100 мм. Предполагаемая толщина стенки s=3 мм.

Допускаемое наружное давление:

где [p]_p – допускаемое давление из условия прочности, Па,

[p]_E – допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости, Па.

Для цилиндрической оболочки

где [σ]= σ_т/5, σ_т=200 МПа=2∙10⁸ Па – предел текучести стали 12Х18Н10Т, а 5 в данном случае – коэффициент запаса. [σ]= 2∙10⁸/5=4∙10⁷ Па;

D_В – внутренний диаметр обечайки (D_В=d=0,1 м),

с – сумма прибавок к расчётной толщине для компенсации коррозии, эрозии, минусового допуска на изготовление, с=0.001 м, тогда

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

,

где E=2∙10¹¹ Па – модуль упругости стали;

n_У – коэффициент запаса устойчивости по нижним критическим напряжениям в пределах упругости, для рабочих условий n_У=2.4;

– безразмерный коэффициент;