Методика расчета криокондесационных насосов

Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический Университет

Э.В. Клещин

Методические указания к выполнению лабораторной работы №4

«Принцип действия, классификация, основные параметры и характеристики криовакуумных насосов» по дисциплине «Криовакуумная техника»

Новосибирск 2009

ВВЕДЕНИЕ

Работа дает общее представление о классификации, основных параметрах и характеристиках, области действия, принципе работы применяемых в настоящее время криовакуумных насосов.

В работе изложены положения методики расчета криоконденсационного насоса, изучение которой позволяет выполнить расчет параметров насоса для заданных исходных данных.

Работу следует представить на листах формата А4 с соблюдением требований стандартов ЕСКД.

Содержание отчета: цель работы, исходные данные, расчет Работа дает общее представление о классификации, основных параметрах и характеристиках, области действия, принципе работы применяемых в настоящее время вакуумных насосов.

Работу следует представить на листах формата А4 с соблюдением требований стандартов ЕСКД.

Содержание отчета: цель работы, исходные данные, расчет криоадсорбционного насоса.

Цель работы - расчет характеристик криоконденсационного насоса.

Общие сведения о криовакуумных насосах

1.1. Классификация криовакуумных насосов

Крионасосы классифицируют по следующим основным признакам: принципу действия, температурному уровню криопанели, быстроте действия,способу охлаждения криопанели и конструктивной схеме (рис.1.1).

Температурный уровень криопанели представляет собой основной фактор, определяющий предельный вакуум, создаваемый насосом. По температурному уровню крионасосы подразделяют на четыре группы в соответствии с температурами кипения азота (77К), неона (27,1К), водорода (20К) и гелия (4,2К) при атмосферном давлении.

Быстрота откачки в основном определяется размерами криопанели, а следовательно, и энергозатратами на ее охлаждение. По быстроте действия крионасосы условно подразделяют на три группы: малые с быстротой действия S < 10 дм³/с (для их охлаждения требуется мощность в несколько ватт); средние с быстротой действия 10…50 дм³/с (мощность несколько десятков ватт); крупные с быстротой действия S > 50 дм³/с (мощность – несколько сотен и даже тысяч ватт).

По конструктивной схеме крионасосы подразделяют на насосы фланцевые и встроенные.

По способу охлаждения крионасосы подразделяют на охлаждаемые сжиженными газами и с помощью автономных газовых холодильных машин.

Конструктивное оформление и эксплуатационные особенности насосов во многом зависят от способа охлаждения криопанелей. По этому принципу крионасосы подразделяют на основные четыре группы: наливные, испарительные, с автономными ожижителями, с газовыми холодильными машинами (криогенераторами).

1.2. Способы охлаждения крионасосов

Наиболее простой способ охлаждения крионасосов – охлаждение жидким криоагентом, наливаемым в сосуд, наружная поверхность которого служит криопанелью. Наливные насосы выполнены по типу криостатов. Они не требуют подсоединения к электросети, водопроводу или сети сжатого воздуха, в них нет движущихся деталей. Эти насосы легко прогреваются, поэтому их применяют в высоковакуумных системах.

Несмотря на относительно высокую стоимость жидкого гелия, ему отдают предпочтение по сравнению с жидким водородом, поскольку последний взрывоопасен. Преимущество жидкого гелия – низкая температура кипения, недостаток – весьма малая скрытая теплота парообразования, а следовательно, необходимость эффективной защиты от теплопритоков к криопанели насоса.

Недостатки насосов наливного типа:

• необходимость оснащения системой сбора испарившегося рабочего газа;

• значительные потери холода с оставшимся в сосуде после окончания работы газом;

• большой расход криоагента, необходимый во время пуска насоса для охлаждения криопанелей и экранов от нормальной до рабочей температуры;

• необходимость установки только в вертикальном положении;

• трудность получения и поддержания температуры выше точки кипения криоагента.

Кроме того, при хранении в сосудах Дьюара имеют место потери криоагента, не связанные непосредственно с работой насоса.

Насосы наливного типа используют в основном для лабораторных исследований.

При охлаждении насосов парами криоагентов (испарительный способ охлаждения) также используют сжиженные газы из сосудов Дьюара. В этом случае криопанели насосов выполняют в виде змеевиков или плоских шайб с внутренними каналами. Охлаждение криопанелей происходит в результате циркуляции по каналам и змеевикам паров испаряющегося криоагента. При этом циркуляция осуществляется под действием избыточного давления в сосуде Дьюара, либо с помощью механического вакуумного насоса. Эти способы питания насоса криоагентом дают возможность легко регулировать температуру криопанели, что обеспечивает более экономичное расходование криоагента.
Кроме того, в наливных насосах испаряющийся в криопанели газообразный гелий часто используют для охлаждения защитных экранов до температур, промежуточных между нормальной и температурой криопанели, при этом отпадает необходимость использования другого криоагента. Поскольку в криопанелях нет жидких криоагентов, то после остановки эти насосы легко отогревать. Криопанель в испарительных насосах может быть установлена в любом пространственном положении.

Способ охлаждения с помощью автономных ожижителей обычно используют в больших крионасосах. Сжиженный газ собирается в бачке, который является и криопанелью. Отработанный газ, выходящий из бачка крионасоса, отдает холод в теплообменниках встречному потоку газа, идущему на ожижение, что существенно повышает экономичность процесса охлаждения насоса. Недостатки этого способа охлаждения – сложность обслуживания и необходимость постоянного наблюдения за работой ожижителя.

Охлаждение с помощью автономных газовых холодильных машин (криогенераторов) применяют для малых крионасосов. С помощью криогенераторв достигается температурный уровень 15…20 К и холодопроизводительность 2…5 Вт. Холодильные машины удобны тем, что для их работы требуется только электиропитание и техническая охлажденная вода. Они работают без расхода рабочего газа (гелия), так как рабочее тело в холодильном цикле криогенератора совершает замкнутый цикл, оставаясь в газовой фазе. Насосы с криогенератором экономичны, так как здесь холод используется непосредственно в месте его получения.

1.3. Тепловые нагрузки на крионасосы

Тепловой расчет крионасосов разбивают на два этапа:

1) определение тепловых нагрузок на криопанель и теплозащитный экран;

2) определение расхода криоагентов или мощности криогенных устройств.

Тепловую нагрузку на криопанель Q_п создают потоки теплоизлучения с поверхностей, окружающих криопанель Q_и; теплопроводности через тепловые мосты (механические опоры и держатели криопанелей, подвески заливных бачков, трубки для пдачи жидких криоагентов и др.) Q_λ, а также потоки, возникающие вследствие непрерывной конденсации откачиваемых газов Q_к и теплопровдности остаточных газов от стенки насоса к криопанели Q_α, то есть в общем случае суммарный тепловой поток будет

Q_п = Q_и+ Q_λ+ Q_к+ Q_т .

При давлении ниже 0,1 Па (средний и высокий вакуум) основными источниками тепловых нагрузок на криопанель являются тепловое излучение и теплопроводность по тепловым мостам.

Тепловой поток излучения Вт к холодному телу 1, заключенному в полости теплого тела 2, определяют по формуле

(1.1)

где σ = 5,67 Вт/(м²∙К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана;

ε_пр – приведенная степень черноты системы;

F – площадь поверхности холодного тела, м²;

Т₁, Т₂ – температуры холодного и теплого тел соответственно, К.

Тепловой поток поток по тепловым мостам Вт, определяют по формуле

, (1.2)

где F_м – площадь поперечного сечения теплового моста, м²;

ℓ_м – длина теплового моста, м;

– средняя теплопроводность теплового моста, Вт/(м∙К).

Тепловой поток, обусловленный конденсацией, определяют по формуле

, (1.3)

где γ – вероятность конденсации молекулы газа;

∆i – среднее изменение энтальпии при конденсации, Дж/кг;

R – газовая постоянная, то есть Дж/(кг∙К), при этом

=8314 Дж/(кмоль∙К) – универсальная газовая постоянная, а – мо- лекулярный вес газа, кг/кмоль;

Т – температура газа,К;

F_п – площадь поверхности панели, м²;

р – давление, Па.

Тепловой поток Вт, возникающий вследствие теплопроводности остаточных газов, рассчитывается по формуле

, (1.4)

где индексы «п» и «с» относятся соответственно к панели и стенке; α - коэффициент аккомодации; к – постоянная адиабаты; М – молекулярный вес газа, кг/кмоль.

1.4. Криоконденсационные насосы

Эффективность процесса криоконденсационной откачки во многом зависит от того, как быстро могут быть переданы тепловые нагрузки через слой криоосадка, то есть от его теплопроводности.

Основные характеристики крионасосов – предельное остаточное давление, быстрота действия и ресурс работы.

Предельное остаточное давление насоса , то есть давление р_1,Па, во входной полости насоса немного выше давления насыщенных паров р₂ при температуре конденсирующей поверхности Т_п и рассчитывается из соотношения

, (1.5)

где Т_с – температура стенки.

Быстрота действия криоконденсационного насоса S, дм³/с, зависит от проводимости теплозащитного экрана U_э, дм³/с:

(1.6)

где S_к – быстрота конденсации на криопанели, дм³/с;

S_к = к_п ∙S_т∙F_п. (1.7)

Быстрота действия криоконденсационного насоса может быть определена также из соотношения

S = F_п∙S_т∙к_п∙р_п, (1.8)

где р_п – вероятность пролета молекул.

Коэффициент прилипания к_п учитывает сложность процесса конденсации и влияние различных факторов на его протекание.

Теоретическая удельная быстрота конденсации S_т, дм³/(м²∙с) зависит от вида течения газа.

Так при молекулярном течении

, (1.8)

а при вязкостном течении

. (1.9)

Значения удельной теоретической быстроты конденсации некоторых газов при молекулярном режиме течения приведены в табл.1.1, а при вязкостном режиме – в табл. 1.2.

Таблица 1.1

Удельная быстрота конденсации при молекулярном режиме течения

Газ	Температура криопанели, К	Удельная быстрота конденсации, дм³/(м²∙с) при температуре газа, К
Газ	Температура криопанели, К	203	78
Двуокись углерода	78	9,4	–
Азот	20,4	11,8	6,1
Кислород	20,4	11,0	5,7
Неон	4,2	13,9	7,2
Водород	4,2	44,2	22,8

Таблица 1.2

Удельная быстрота конденсации при вязкостном режиме течения

Газ	Показатель адиабаты, к	Удельная быстрота конденсации, дм³/(м²∙с) при температуре 293К	S_{т. в}/S_т.м
Аргон	1,67	17,9	1,81
Азот	1,40	20,1	1,71
Пары воды	1,33	24,8	1,69

Ресурс работы криоконденсационного насоса определяется допустимой толщиной криоосадка.

Методика расчета криокондесационных насосов

При расчете высоковакуумных криоконденсационных насосов принимаются следующие допущения:

§ режим течения газа – молекулярный;

§ температурное сопротивление криоосадка пренебрежимо мало;

§ свойства поверхностей, находящихся на одинаковых температурных уровней, идентичны;

§ в связи с малым влиянием в упрощенном расчете не учитывать тепловой поток, обусловленный конденсацией, и тепловой поток, возникающий вследствие теплопроводности.

Упрощенная методика расчета рассматривается на примере расчета наливного гелиевого насоса (рис. 2.1).

Исходные данные

Требуемая быстрота откачки азота S = 2000 дм³/с. Коэффициент прилипания к_п = 1 для азота при температуре криопанели Т_к = 4,2 К. Теоретическая быстрота конденсации газа S_т=11,91дм³/(с×см²). Вероятность пролета молекул через шевронный экран р_п = 0,29. Принять 2r = h = . Приведенная степень черноты криопанели и экрана ε_пр = 0,5. Площадь поверхности теплозащитного экрана F_э = 885см². Степень черноты теплозащитного экрана ε_э = 0,9. Температура теплозащитного экрана Т_э= 77К, а температура окружающей среды Т_ос = 300К. Гелиевый бачок подвешен на двух трубках (каждая длиной по 40см), а две трубки, каждая длиной по 10см, контактируют с азотоохлаждаемой поверхностью, наружный диаметр трубок d_н = 11мм с толщиной стенок δ_ст = 0,2мм. Материал трубок – коррозионностойкая сталь со средней теплдопроводностью l = 0,04 Вт/(м∙К) в диапазоне температур 4 – 77К и l = 0,11 Вт/(м∙К) в диапазоне температур 77– 300К.

Расход гелия на 1Вт теплового потока составляет 0,11дм³/ч, а расход жидкого азота – 0,8 дм³/ч.

Последовательность расчета

1. Рассчитать площадь поверхности криопанели F_п, см².

2. Определить тепловую нагрузку Q_и, Вт на криопанель от теплозащит ного экрана.

3. Определить тепловую нагрузку Q_и, Вт на теплозащитный экран от окружающей среды.

4. Рассчитать тепловой поток Q_мг, Вт по тепловым мостам на гелиевый бачок.

5. Рассчитать тепловой поток Q_ма, Вт по тепловым мостам на азотный бачок.

6. Определить суммарные тепловые нагрузки Q_Σг, Вт на гелиевый бачок и Q_Σа на теплозащитный азотный экран.

7. Рассчитать часовой расход в литрах гелия и азота.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 956; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!