Вакуумное напыление

 

, где

 

- удельное сопротивление грунта, Ом×см;

l – длина трубы,  см;

d – диаметр трубы,  см.

Учитывая, что проводимость верхних слоев грунта имеет большие  сезонные колебания в зависимости  от влажности и температуры почвы, трубы следует вводить в землю на такую глубину, чтобы от поверхности земли до верхнего конца трубы было расстояние не менее 0,5 метра. Сопротивление одиночного заземлителя в этом случае определяется по формуле:

 

, где

 

t – расстояние от  поверхности земли до середины трубы.

При расчете необходимо учитывать сопротивление стальной соединительной полосы, величина которой  определяется по формуле:,

 

 

 

где lП – длина полосы, см;

b – ширина полосы, см;

h – глубина заложения,  см.таблицу 5.2

 

Таблица 5.2

Вид грунта	Удельное сопротивление, .	Вид грунта	Удельное сопротивление, .
Глина	0.8 – 7	Торф	2
Суглинок	4 – 15	Садовая	3 - 6
Песок	40 – 70	Каменистый	50 - 80
Супесок	15 – 40	Грунтовая вода	2 - 7
Чернозем	0.9 – 53	Речная вода	1 - 7

 

Обычно необходимая проводимость регулирующего устройства достигается закладкой в грунт нескольких труб, которые соединяются между собой стальной полосой. Трубы располагаются обычно на расстоянии lП = 2 м.

Общее сопротивление  многоэлектродного заземления определяется по формуле:

 

, где

 

- коэффициент взаимного экранирования,  который колеблется в пределах 0,65...1;

n – число заземлителей.

Результирующее сопротивление  заземляющего устройства определяется по формуле:

.

 

Для предварительных  расчетов примем: hЭ = 0,7.

В электроустановках  с напряжением до 1000В, с изолированной  нейтралью источника питания, сопротивление  заземляющего устройства не должно превышать 4 Ом. Зная максимальное сопротивление  заземлителя, можно определить количество труб в заземлителе. Удельное сопротивление грунта выбирается из таблицы №2.

Преобразуем формулу 

 

 

 

к следующему виду:

 

.

 

Решая это квадратное уравнение относительно n, можно  определить требуемое количество труб в заземлителе.

Для оптимального выбора заземлителя необходимо исследовать изменение требуемого количества труб при изменяемых параметрах l (см) и r (×1000 Ом×м) и при неизменяемых параметрах : h = 50 см, d = 5 см, rЗ = 4 Ом, hЭ = 0,7.

Результаты расчетов сведены в таблицу.

 

 

Таблица 5.3

				Удельное сопротивление, .
				1	3	5	10	20	30	35	40	45	50	55	60	70	80
Длина трубы l, см.			100	1	6	11	22	44	67	78	89	100	112	123	134	156	179
		150		1	4	8	16	33	49	58	66	75	83	92	100	117	133
	200			1	4	6	13	26	40	47	53	60	67	74	80	94	107
	250			1	3	5	11	22	34	39	44	50	56	61	67	78	90
	300			1	2	3	9	19	29	34	39	44	49	54	58	68	78
	400				1	4	7	15	23	26	30	34	38	42	46	54	62

 

Для грунта суглинок удельное сопротивление которого соответственно n = 3...13, при l = 300 cм. Учитывая трудности, связанные с устройством заземления при n = 13 (имеется в виду площадь и количество труб), можно принять n = 5, но при условии наличия защитного отключения на установке.

Схема устройства защитного  отключения показана на рис. 5.1:

1 - корпус электроприемника; 2 - предохранители; ОК - отключающая катушка автоматического выключателя; РН - реле напряжения; RО - сопротивление заземления нейтрали; RВ - сопротивление вспомогательного заземления; RП - сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника.

5.4 Расчет адсорбера для очистки воздуха от паров масла

 

Постановка задачи:

определить размеры, энергозатраты  и время защитного действия адсорбера  для улавливания паров масла  из выхлопа вакуумного насоса. Ресурса  адсорбера должно хватить на календарный  год работы оборудования (или 1940 часов). Эффективность поглощения должна быть не менее 95%. Начальная концентрация паровоздушной смеси С0=0,005 кг/м3.

Расчет адсорбера

Выбираем в качестве поглотителя активированный уголь  с диаметром гранул d=3мм и средней  длиной гранул l=5мм. Насыпная плотность выбираемого сорбента ρн=500 кг/м3, кажущаяся плотность ρк=800 кг/м3.

Для условий в адсорбере tр=200 С и Р=9.8∙104 Н/м2 принимаем  по воздуху ρг=1.2 кг/м3 и ν=0.15∙10-4 м2/с.

По изотерме адсорбции  и заданной величине С0 находим статическую емкость сорбента, если С=5 г/м3 по изотерме адсорбции а=170 г/кг или аI=0,170∙500=85 кг/м3.

Весовое количество очищаемого газа:

объем вакуумной камеры составляет 120 литров, наибольший поток  воздуха из насоса идет во время  первых двух минут откачки. Таким образом, весовое количество очищаемого газа

 

,

 

где Vк – объем камеры, м3, ρг – плотность воздуха, кг/м3, tо – время откачки, с.

.

Принимая коэффициент  запаса К=1,15, определим массу сорбента:

,

 

где n-общее количество откачек.

.

Выбираем эффективную  скорость паровоздушной смеси в  адсорбере W=0.15 м/с и определяем геометрические размеры адсорбера для выбранной  конструктивной схемы:

 

,

 

где Da – диаметр слоя адсорбента для цилиндрического  аппарата, м.

Рассчитаем длину слоя адсорбента:

 

 

Прежде чем определить энергозатраты на очистку паровоздушной  смеси от паров масла, найдем пористость сорбента, эквивалентный диаметр  и коэффициент трения зернистого поглотителя

 

 

,

эквивалентный диаметр:

 

.

Число Рейнольдса:

коэффициент трения λ:

 

 

.

Определяем гидравлическое сопротивление, оказываемое слоем  зернистого поглотителя при прохождении  через него потока очищаемого газа:

 

,

 

где ф – коэффициент  формы

.

Из таблицы определяем коэффициент молекулярной диффузии паров масла в воздух при 00 С и Р=9.8∙104 Н/м2 D0=0,101∙10-4 м2/с:

 

,

 

Находим диффузионный критерий Прандтля:

 

 

.

Для заданного режима течения газа Re=37,3 определим величину коэффициента массопередачи β для  единичной удельной поверхности:

 

 

Так как С0=5 г/м3 находится  во второй области изотермы адсорбции, то время защитного действия определяем:

 

 

Предварительно определим  вспомогательные величины. На основании  вида изотермы адсорбции находим  а∞=0,180 кг/кг и а∞/2=0,09 кг/кг и соответствующая этой величине поглощения концентрации паровоздушной смеси y1=2,7 г/м3, т.е. А=10/2,7=3,7.

Удельная поверхность  адсорбера:

 

,

 

Зная эффективность  адсорбера, определим концентрацию паров масла на выходе из насоса:

 

 

Тогда продолжительность  адсорбции:

.

τ=15,4 ч, что соответствует 3 месяцам работы оборудования.

Таким образом производить  десорбцию адсорбера необходимо каждые 3 месяца.

 

5.5 Средства вентиляции

 

Задачей вентиляции является обеспечение чистоты воздуха и заданных метеорологических условий в производственных помещениях. Вентиляция достигается удалением загрязненного или нагретого воздуха из помещения и подачей в него свежего воздуха.

При правильной работе установки  не происходит выделения ни паров или газов, ни избыточной явной теплоты, ни влаги, т.к. установка оснащена системой водяного охлаждения, а ее технологическая камера герметична; все рабочие вещества хранятся только в герметичных баллонах и подаются в камеру только по герметичным магистралям.

Определим необходимое  количество воздуха в помещении  по методу кратности воздухообмена : , где к – кратность воздухообмена, час-1; V – объем помещения, м3; k = (1... 10) час-1.

Возьмем минимальный  размер помещения, необходимый для размещения и эксплуатации рассматриваемой установки: .

Тогда необходимое количество воздуха в помещении будет  равно:

, что больше нормативного минимального  количества воздуха, которое должно  приходиться на человека  ;

Поэтому в данном случае при организации воздухообмена в помещении можно ограничиться естественным проветриванием.

Технологический процесс  формирования многослойных покрытий в  вакууме требует проведения очистки  вакуумной камеры (ацетоном, этиловым спиртом и т.п.) после некоторого количества рабочих циклов.

Помещения, в которых  производится очистка вакуумной  камеры (ацетоном, этиловым спиртом  и т.д.), должны быть оборудованы приточно–вытяжной  вентиляцией. Кратность приточно–вытяжной  вентиляции должна быть такой, чтобы  значения концентрации вредных паров в воздухе рабочей зоны не превышали допустимых значений по требованиям ГОСТ 12.1.005-76.

В том случае, если вытяжная вентиляция временно не функционирует (установка или замена, ремонт), разрешается, при очистке вакуумной камеры, использовать фильтрующий противогазовый респиратор РПГ-67А (ГОСТ 12.4.004-74*), который защищает от паров органических веществ (бензина, ацетона, спиртов, эфиров, бензола и др.). При этом концентрация вредных веществ не должна превышать предельно допустимую концентрацию (ПДК) в 10...15 раз, а время работы не должно быть больше 6 часов [4.1].

Количество удаляемого воздуха определим по формуле :

 

,

 

где qВЫТ – концентрация вредного вещества в удаляемом воздухе, мг/м3;

G – количество выделяющегося  вредного вещества, мг/час.

С другой стороны:

 

,

 

где FО - площадь вытяжного  проема, м2;

v - скорость воздуха  в проеме, м/с.

 

Тогда

 

Причем, концентрация вредного вещества в удаляемом воздухе  не должна превышать предельно допустимую концентрацию вредного вещества qПДК в воздухе рабочей зоны, т.е. . Так, для ацетона , для этилового спирта [4.1]. Для расчетов принимаем .

При очистке камеры выделяется ацетона.

Необходимо обеспечить : ; то есть ;

Принимаем FO = 0,2 м2; v = 0,5 м/с;

Тогда, количество удаляемого воздуха равно:

 

,

 

а концентрация вредного вещества в удаляемом воздухе  не превышает предельно допустимую:

 

;

 

Очистку удаляемого воздуха  целесообразно проводить методом  адсорбции. Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых твердых тел (c ультрамикроскопической структурой) селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты газовой смеси. Конструктивно адсорберы выполняются в виде емкостей, заполненных пористым адсорбентом. В качестве адсорбентов применяют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы. Это активированный уголь, активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты. Для очистки воздуха от паров ацетона будем использовать активированный уголь, удельная поверхность которого достигает .

Минимально необходимая  масса сорбента определяется следующим  образом :

 

,

 

где LY – объемный расход очищаемого газа, м3/с;

СО – концентрация удаляемой примеси, мг/м3;

- время процесса адсорбции,  ;

КЗ – коэффициент  запаса, КЗ = 1,1...1,2;

a – статическая поглотительная  способность адсорбента в рабочих  условиях, (по изотерме адсорбции для 20 оС и парциального давления адсорбируемого вещества у поверхности адсорбера 100 Па) [4.2];

 

;

 

Принимаем: .

 

Заключение

 

В данном разделе были проанализированы установка и технологический процесс формирования многослойных покрытий в вакууме. Результаты анализа свидетельствуют, что установка в целом достаточно экологична и безопасна, но существуют некоторые вредные факторы, связанные с ее эксплуатацией и обслуживанием (шум, вибрации). Опасность могут представлять также электропитание установки, рабочие газы, используемые в технологических процессах и др. Были проведены необходимые расчеты и выработаны рекомендации по обеспечению безопасной работы с данной установкой, не приносящей вреда окружающей среде.

 

6. Исследовательская часть

 

В настоящее время  во многих областях науки и техники  возрос интерес к многослойным покрытиям  с толщиной слоев менее 1 мкм, а  также произошло расширение области  их применения. Это обусловлено возможностью значительной модификации или даже принципиального изменения свойств известных материалов, а также новыми возможностями создания материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера.

 

6.1 Оценка полученного тонкопленочного покрытия

 

6.1.1 Контроль износа

Одним из критериев для  оценки качества нанесенных на поверхности  тонких пленок является их способность  противостоять изнашивающему воздействию. Причем, в результате такого воздействия  на тонкопленочные покрытия могут наблюдаться  следующие эффекты: износ, протекающий по различным механизмам, и отслаивание пленки от поверхности. Поэтому понятие износ для тонкопленочных покрытий подразумевает разрушения различной природы, возникающие при фрикционном воздействии.