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.
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 криоадсорбционного насоса.
Цель работы - расчет характеристик криоконденсационного насоса.
1. 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 Qп создают потоки теплоизлучения с поверхностей, окружающих криопанель Qи; теплопроводности через тепловые мосты (механические опоры и держатели криопанелей, подвески заливных бачков, трубки для пдачи жидких криоагентов и др.) Qλ, а также потоки, возникающие вследствие непрерывной конденсации откачиваемых газов Qк и теплопровдности остаточных газов от стенки насоса к криопанели Qα, то есть в общем случае суммарный тепловой поток будет
Qп = Qи+ Qλ+ Qк+ Qт .
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;
εпр – 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 Fм – площадь поперечного сечения теплового моста, м2;
ℓм – 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;
Fп – 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 р1, Па, во входной полости насоса немного выше давления насыщенных паров р2 при температуре конденсирующей поверхности Тп и рассчитывается из соотношения
, (1.5)
где Тс – температура стенки.
Быстрота действия криоконденсационного насоса S, дм3/с, зависит от проводимости теплозащитного экрана Uэ, дм3/с:
(1.6)
где Sк – быстрота конденсации на криопанели, дм3/с;
Sк = кп ∙Sт∙Fп. (1.7)
Быстрота действия криоконденсационного насоса может быть определена также из соотношения
S = Fп∙Sт∙кп∙рп, (1.8)
где рп – вероятность пролета молекул.
Коэффициент прилипания кп учитывает сложность процесса конденсации и влияние различных факторов на его протекание.
Теоретическая удельная быстрота конденсации Sт, 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 |
|
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 |
Sт. в/Sт.м |
Аргон |
1,67 |
17,9 |
1,81 |
Азот |
1,40 |
20,1 |
1,71 |
Пары воды |
1,33 |
24,8 |
1,69 |
Р есурс работы криоконденсационного насоса определяется допустимой толщиной криоосадка.