Научная статья на тему 'Газодинамические аспекты работы криовакуумного насоса в вязкостном режиме течения газа'

Газодинамические аспекты работы криовакуумного насоса в вязкостном режиме течения газа Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
16
3
Поделиться
Область наук
Ключевые слова
КРИОВАКУУМНЫЙ НАСОС / МОЛЕКУЛА ГАЗА / ЖИДКИЙ АЗОТ / СКОРОСТЬ ОТКАЧКИ

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Иванов Владислав Иванович

Когда криовакуумный насос работает в вязкостном режиме, то наблюдается направленное движение газа к криопанели. Предлагаемая в статье процедура вычисления позволяет определять скорость накачанного потока газа перед криопанелью в зависимости от коэффициента его захвата и затем вычислять скорость перекачки.When a cryovacuum pump is working in a viscous mode a directional movement of gas towards a cryopanel is observed. An offered calculation procedure allows to determine a velocity of pumped gas flow in front of the cryopanel depending on its capture coefficient and then to calculate a velocity of pumping.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Иванов Владислав Иванович,

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Газодинамические аспекты работы криовакуумного насоса в вязкостном режиме течения газа»

УДК 621.521 .

Газодинамические аспекты работы криовакуумного насоса в вязкостном режиме течения газа

Д-р техн. наук В. И. ИВАНОВ Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

When a cryovacuum pump is working in a viscous mode a directional movement of gas towards a cryopanel is observed. An offered calculation procedure allows to determine a velocity of pumped gas flow in front of the cryopanel depending on its capture coefficient and then to calculate a velocity of pumping.

Keywords: cryovacuum pump, a molecule of gas, liquid nitrogen, pumping speed.

Ключевые слова: криовакуумный насос, молекула газа, жидкий азот, скорость откачки.

Криогенные вакуумные насосы заливного и проточного типа, обладающие уникальными достоинствами, находят широкое применение для создания высокого и сверхвысокого вакуума. Отсутствие движущихся частей в этих насосах делает их весьма простыми по устройству и надежными в работе. Они позволяют создавать «чистый вакуум», не загрязняя откачиваемый объект рабочим веществом (маслом, ртутью, титаном и т.п.). Кроме того, крионасосы при работе не создают электрических и магнитных полей и не производят шума и вибрации. Криопанели насосов можно встраивать непосредственно в откачиваемый объект, обеспечивая высокие скорости откачки. Все это позволяет криовакуумным насосам быстро завоевывать все новые сферы применения и не только в высоковакуумных системах, но и в установках, где требуется средний и даже низкий вакуум, например, в аэродинамических трубах разреженного газа, в системах откачки химических лазеров и т. д.

Расчет откачных характеристик высоковакуумных крионасосов, работающих в молекулярном режиме течения газа, рассмотрен в литературе достаточно широко, тогда как вязкостный режим освещен недостаточно.

При откачке газа криовакуумным насосом в вязкостном режиме максимально возможная скорость откачки зависит не только от теплового движения молекул, но и от газодинамического разгона его в направлении криопанели. При коэффициенте захвата молекул газа криопанелью а = 1, ее можно рассматривать как выходное отверстие звукового сопла. Тогда непосредственно перед криопанелью поток газа достигает местной скорости звука [ 1 ]

а,

2к к + 1

■RTo,

где к — показатель адиабаты;

Я — газовая постоянная;

Т0 — температура торможения.

Плотность газа перед криопанелью соответственно будет равна

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Р' = «ЦгТгГ’ ®

где р0 — плотность неподвижного газа вдали от криопанели.

В реальной ситуации, когда не все молекулы газа, попадающие на криопанель, захватываются ею, коэффициент захвата а < 1. В результате этого плотность газа перед криопанелью увеличивается до значения рх. Можно предположить, что коэффициент захвата а, численные значения которого приведены в [2], связан с реальной плотностью газа перед криопанелью соотношением

ро р|

Из этого уравнения и уравнения (2) следует

(3)

Pi

Ро

1 - а

1

ш

(4)

Исходя из соотношения для идеальной адиа-

баты

Р_

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Ро

і = ( М

О V ро /

можно также записать зависимость от а отношения статического давления в потоке непосредственно перед криопанелью рх к давлению полностью заторможенного газа р0, т.е. к давлению в камере вдали от криопанели

1

а

1 -

ш

(5)

(1)

Поскольку при а < 1 скорость потока, набегающего на криопанель, всегда будет меньше местной скорости звука, то в расчетах удобно пользоваться коэффициентом скорости (3, который можно выразить через найденное выше отношение давлений [ 1 ]

Р =

1

к- 1

1-

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

(6)

или с учетом выражения (5)

Определив коэффициент скорости для заданного значения коэффициента захвата а, можно найти скорость потока, набегающего на криопанель

IV, = [За, = (8)

Соответственно, зная скорость потока нетрудно найти массовую скорость откачки С при площади поверхности криопанели Г

с = ^К1-1гт^7жЙТ) т

и объемную скорость откачки объекта

*= <10) Коэффициент захвата молекул паров воды на криопанели, охлаждаемой жидким азотом, равен единице [3], поэтому можно предположить, что в вязкостном режиме поток пара перед криопанелью достигнет критической скорости звука. При температуре паров воды 293 К она равна 392 м/с и соответственно удельная скорость откачки, отнесенная к параметрам газа, имеющим место непосредственно перед криопанелью, должна быть 392м3/(м2- с). Отнеся скорость откачки к параметрам состояния газа на удалении от кри-

опанели, получим 247м3/(м2- с), что практически совпадает с результатом расчетов по уравнению (10) S = 245,5 м3/(м2- с). Эксперименты по откачке паров воды в вязкостном режиме дали аналогичный результат 245 м3/(м2 ■ с), что подтверждает справедливость изложенного выше подхода [4]. Также становится очевидным, что при переходе от молекулярного режима к вязкостному скорость откачки возрастает, поскольку в первом случае она определяется только скоростью теплового движения молекул газа, а во втором еще и скоростью сформировавшегося потока газа в направлении к криопанели.

Таким образом, используя изложенную выше методику, можно для вязкостного режима течения газа определить изменение скорости откачки камеры, в которой размещена криопанель, в зависимости от коэффициента захвата молекул газа криопанелью.

Список литературы

1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. — М.: Наука, 1969.

2. Справочник по физико-техническим основам криогеники/Под ред. М. П. Малкова. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

3. Brown R. F., Wang Е. S. V. Capture coefficients of gases at 77 К // Adv. in cryogenic engineering. 1965. Vol. 10.

4. Bland М. E. The cryopuming of water vapour in the continuum pressure region // Cryogenics. 1975. Vol. 15. N11.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.