CC BY
37ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА
HYDROGEN ECONOMY
КРИОГЕННЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ И ХИМИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ ПОГЛОТИТЕЛИ ДЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОЛОСТЕЙ КРИОГЕННЫХ ВОДОРОДНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ
В.И. Куприянов
Балашиха - 3, Московская область, 143903, ул. Октябрьская, д. 10, кв. 119
Слово члена Редколлегии Лауреата Государственной Премии СССР, Почетного Машиностроителя, академика Международной Академии Холода, Члена Ученого Совета МГТУ им. Н.Э. Баумана, проф. Куприянова В.И.:
Прошло 10 лет 21 века, мир, как будто, очнулся, или спохватился, заговоривши о скорейшем освоении новых технологий. Как о безусловных мерах усиленного развития перпективных направлений науки, производства и сельского хозяйства. Будучи специалистом в области криогенно-вакуумной техники, отдавши, этому делу без малого полвека наблюдаю страшную картину - резкое сокращение производства соответствующего оборудования и потребностей в услугах данной отрасли. А собственный опыт говорит об обратном: все передовые технологии, научные открытия были неразрывно связаны с вакуумной и криогенной техникой. Еще в конце 19 века Э. Резерфорд сказал: «Вакуумной технике мы обязаны открытию электрона». Что же я вижу: в 21 веке много и очень много пафосных речей о новых технологиях, нанотехнологиях, альтернативной энергетике и прочих научных достижениях. А об их неизбежных спутниках и помощниках ни слова, более того, многие из них пришли в упадок и разорение.
Мой родной «Криогенмаш», обеспечивавший всю страну и все передовые научно-производственные направления новейшими установками и оборудованием не уступающими Западу и обеспечивавшими полмира своими воздухоразделительными установками и системами хранения продуктов, упомянутый Горбачевым на 27 съезде КПСС как передовое образцовое предприятие страны сегодня приходит в упадок по всем статьям: по количеству и качеству продукции, ассортименту, высококвалифированным кадрам, тем более молодым кадрам.
А посему все многозначительные и пафосные разговоры о передовых инновациях и модернизациях вызывают сомнение и как говорил, К.С. Станиславский: «Не верю».
Я поверю в будущее Сколково только тогда, когда в новых проектных прорывных технологиях и научных открытиях заговорят со знанием дела и возрождением былого величия о их неизбежных спутниках и главных помощниках криогенно-вакуумной техники. По счастью есть новые ростки в этих отраслях ОАО «НПП Крио-сервис» Генеральный директор Ленский А.Б. (г. Балашиха), предприятие «Хром» (г. Владимир) Савинов М.Ю., предприятие НТЦ «ТАТА» Гусев А.Л. (г. Саров).
Рождение таких предприятий, функционирующих более десятка лет дает надежду на возрастающую роль в 21 веке криогенно-вакуумной техники. Прошу обратить читателей нашего журнала внимание на то, что в журнале, практически, отсутствуют публикации по этому направлению. Хотелось бы обратить внимание на это.
Владимир Иванович Куприянов
— - Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и
J. J ._■ J © Научно-технический центр «TATA», 2008
Принцип действия и классификация
Действие крионасосов основано на физических явлениях, происходящих при низких температурах: конценсации газов на охлаждаемых металлических поверхностях (конденсационные насосы); адсорбции газов на твердых охлажденных сорбентах (адсорбционные насосы); адсорбции газов на слое предварительно: сконденсированного вспомогательного легкокон-денсируемого газа (конденсационно-адсорбционные насосы); одновременной конденсации откачиваемого газа и вспомогательного легкоконденсируемого газа (криозахватные насосы); поглощении газов пленками геттера, осаждаемого на криопанель насоса (криогет-терные насосы).
Принцип действия конденсационных насосов основан на конденсации газов на металлических поверхностях, охлажденных до температуры 20 К и ниже (рис. 2, а).
Принцип действия адсорбционных насосов основан на сорбции газов твердым сорбентом, нанесенным на крио-генную поверхность (рис. 2, б). В адсорбционных насосах важно обеспечить хороший тепловой контакт сорбента с поверхностью, его тепловую защиту и исключить возможность загрязнения легко конденсируемыми газами, поскольку это снижает вероятность поглощения водорода, обычно трудно удаляемого из систем. В качестве сорбентов, наносимых на поверхность криопанелей, наиболее часто используют активный уголь, цеолиты, силикагели, оксидные пленки металлов. Физическая поверхность сорбентов на много порядков превышает геометри-ческу ю поверхность криопанели, достигая 107 см2 /г. Принцип действия конденсационно-адсорбционных насосов (рис. 2, в) основан на применении другого вида сорбентов — вспомогательных легкоконденсируемых газов. В качестве вспомогательного газа используют пары воды, диоксид углерода, диоксид серы, оксид азота, метил-хлорид, тетрахлорид углерода, пары спирта, ацетона, бензина, аргон, азот и др. В атом случае вакуумную камеру с криопанелью, окруженной тепловыми экранами, предварительно откачивают форвакуумным и высоковакуумным на-сосами до возможно более низкого давления. После отсоединения насоса от камеры криопанель охлаждают и в камеру вводят вспомогательный газ, чтобы на криопанели образовался слой конденсата.
Принцип действия криозахватного насоса заключается в поглощении («криозахвате») неконденсируе-мых газов легкоконденсируемыми газами, постоянно
Рис. 2. Схемы работы крионасосов: 1 — криопанель; 2, 5, 8 — откачанные молекулы (2 — конденсированные, 5 — адсорбированные, 8 — хемосорбирован-ные); 3 — свободные молекулы; 4 — твердый сорбент; 6 — вспомога-тельный газ; 7 — частицы геттера
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
подаваемыми на криопанель (рис. 2, г). При откачке водорода необходим постоянный напуск большого количества диоксида углерода (50 молей на 1 моль водорода), что увеличивает тепловую нагрузку на крионасос и, следовательно, на холодильную установку. Явление криозахвата всегда сопровождает процесс конденсации многокомпонентной смеси газов. Особенно возрастает роль криозахвата при откачке водорода в непрогревае-мых вакуумных системах, так как основные компоненты остаточной смеси газов этих систем - пары воды и диоксид углерода, которые способствуют откачке водорода вследствие криозахвата.
Принцип действия криогеттерного насоса основан на физическом и химическом связывании газов на поверхности и в объеме непрерывно наносимой на криопанель пленки химически активного вещества, в качестве которого чаще всего используют титан (рис. 2, д). По удельной сорбционной емкости крио-геттерные насосы примерно в 3 раза превосходят насосы, принцип действия которых основан на сорбции пленками титана, нанесенными на поверхность при нормальной температуре. При низкой температуре миграция осаждаемых частиц геттера заторможена, поэтому образуется пористая пленка с хорошо развитой поверхностью. Кроме того, при криогеттерной откачке не выделяются посторонние газы (например, метан) и снижается равновесное давление легкоконденсируе-мых газов. Для работы насосов этого типа достаточна температура 60...80 К.
В настоящее время наиболее распространены кон -денсационные и абсорбционные насосы.
Принципиальная конструктивная схема криона-сосов, несмотря на все многообразие их выполнения, включает, как правило, четыре основных конструктивных элемента (рис. 3): криопанель 1, теплозащитный экран 2, охлаждающее устройство (на рисунке не показано) и корпус 4.
Криопанель является основной (откачивающей) частью насоса и представляет собой поверхность, охлажденную до криогенных температур. Криопане-ли выполняют в виде дисков, цилиндров, змеевиков, сложных систем ребер и др.
Криооткачка — процесс экзотермический, так как во время работы насоса на охлажденной поверхности в результате перехода газа в конденсированное (связанное) состояние постоянно выделяется теплота конденсации. В связи с этим обязательное условие кри-ооткачки — постоянный отвод теплоты конденсации и поддержание температуры охлажденной криопанели на требуемом уровне. Кроме того, необходимо отводить тепловую энергию излучения с теплых поверхностей насоса на криопанель.
Теплозащитный экран 2, выполненный, как правило, в виде жалюзи, обычно устанавливают между стенками корпуса и криопанелью и охлаждают до температур, промежуточных между температурой стенки корпуса
и температурой криопанели. При отсутствии экранов тепловые нагрузки на криопанель резко возрастают и не обходимы более мощные охлаждающие устройства.
Поверхности экранов обрабатывают так, чтобы тепловая нагрузка на криопанель была минимальной. Для уменьшения степени черноты у часто применяют электролитическое золочение или серебрение поверхности медных деталей. Степень черноты полированного алюминия (0,02...0,05) близка значению этой характеристики золоченой поверхности (0,014...0,040). Для создания поверхности с высокой степенью черноты используют специальный черный краситель, который наносят на медную обезжиренную поверхность. Степень черноты такой поверхности превышает 0,85. Для чернения поверхности алюминиевых деталей применяют анодирование.
Охлаждающее устройство служит для предварительного охлаждения криопанели от нормальной
Рис. 3. Принципиальная схема крионасоса: 1 — криопанель; 2 — экран; 3 — жалюзи; 4 — корпус; 5 и 6 — фланцы камеры и насоса; 7 — конденсат (криоосадок)
температуры до рабочей, а также для компенсации тепловых нагрузок на криопанель и поддержания температуры криопанели во время работы крионасоса на необходимом уровне. В прямой видимости от кри-опанели не должны находиться источники теплоты, например, датчики с накаленным катодом.
Корпус предназначен для монтажа всех конструктивных элементов насоса. Иногда криопанель с теплозащитным экраном помещают непосредственно в вакуумную камеру; в этом случае корпус камеры является одновременно и корпусом насоса.
В зависимости от термодинамического состояния откачиваемого газа внутреннюю полость крионасоса
можно условно разделить на три области (рис. 4): область 3 расположена между стенкой 1 (входное сечение насоса) и теплозащитным экраном 2, область 33 — между экраном и верхним слоем криоосадка 3, область 333 — это слой сконденсированного или сорбированного газа на криопанели 4.
Входное сечение насоса условно показано в виде стенки 1, температура которой Тс равна температуре окружающей среды. Это сечение является источником потока Q1 откачиваемых газов, а также теплового потока Фг
Теплозащитный экран 2, температура которого Т поддерживается охлаждающим устройством с холо-допроизводительностью <2х э на более низком температурном уровне, чем Т воспринимает тепловые излучения от стенок, исключая возможность попадания их на криопанель (имеющую температуру Тп). Молекулы откачиваемых газов, пройдя область 3, ударяются о холодные поверхности экране и теряют часть кинетической (тепловой) энергии. Одновременно часть молекул из газового потока Qэ. к, имеющих при температуре экрана Тэ давление насыщенных паров меньше давления Р конденсируется на холодных поверхностях экрана и не попадает в область II. Часть молекул Qэ отражаясь от экрана, возвращается в область I.
Тепловой экран (по аналогии со стенкой 1) можно считать источников потока Q2 газов для области 33; при этом
Ö2 = Qi -
(1)
Тепловой экран является также источником теплового потока Ф2 на криопанель 4, поскольку температура экрана выше температуры криопанели. Кроме того, экран является сопротивлением для прохода газов к откачиваемому элементу, поэтому давление в области 33 меньше, чем в области 3 (р33< р3).
В области 333 газ находится в сконденсированном или сорбированном состоянии при температуре Т Теплота излучения и конденсации отводится соответствующим охлаждающим устройством с холодопроиз-водительностью Qхп
Крионасосы классифицируют по следующим основным признакам: принципу действия, температурному уров-ню криопанели, быстроте действия, способу охлаждения криопанели и конструктивной схеме.
Температурный уровень криопанели — это основной фактор, определяющий давление паров откачиваемого газа, а следовательно, и предельный вакуум, создаваемый насосом. По температурному уровню крионасосы подразде-ляют на четыре группы в соответствии с температурами кипения азота (77 К), неона (27,1 К), водорода (20 К) и гелия (4,2 К) при атмосферном давлении.
Быстрота действия в основном определяется размерами криопанели, а следовательно, и энергозатратами
Рис. 4. Принципиальная схема крионасоса: 1 — криопанель; 2 — экран; 3 — жалюзи;
4 — корпус; 5 и 6 — фланцы камеры и насоса;
7 — конденсат (криоосадок)
на ее охлаждение. По быстроте действия крионасосы условно подразделяют на три группы: малые с быстротой действия
£ < 10 м3/с (для их охлаждения требуется мощность в несколько ватт), средние с быстротой действия £ = 10...50 м3/с (мощность — несколько десятков ватт), крупные с быстротой действия £ > 50 м3/с (мощность — несколько сотен и даже тысяч ватт). Наиболее распространены средние крионасосы; их выпускают на нормализованных фланцах.
По способу охлаждения крионасосы подразделяют на охлаждаемые сжиженными газами и автономными газовы-ми холодильными машинами. Конструктивное оформление и эксплуатационные особенности насосов во многом зависят от способа охлаждения криопане-лей. По этому признаку крионасосы подразделяют на четыре основные группы: на-ливные, испарительные, с автономными ожижителями, с газовыми холодильными машинами (криогенераторами).
По конструктивной схеме крионасосы подразделяют на фланцевые и встроенные. Быстрота действия насосов первого типа в основном определяется проводимостью фланца. Эти насосы обычно выполняют в виде отдельного агрегата, подсоединяемого к откачиваемому сосуду. Насосы второго типа проектируют применительно к конкретным условиям эксплуатации. Криопанели в этих насосах обычно располагают в откачиваемом сосуде в непосредственной близости от источника газовыделения.
14
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ШЛШ
Способы охлаждения
Наиболее простой способ охлаждения крионасо-сов — охлаждение жидким криоагентом, наливаемым в сосуд, наружная поверхность которого служит криопанелью. Наливные насосы выполняют по типу криостатов. Они отличаются простотой конструкции и малой стоимостью, 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. В качестве криоагентов обычно используют сжиженные газы (азот, неон, водород или гелий).
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, следовательно, необходимость эффективной защиты от теплопритоков к криопанели насоса.
Недостатки насосов наливного типа: необходимость оснащения системой сбора испарившегося рабочего газа; значительные потери холода (после окончания работы газ остается в сосуде); большой расход кри-оагента, необходимого 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, отличающейся от температуры кипения криоагента при атмосферном давлении. Такие насосы используют в основном для лабораторных исследований.
При охлаждении насоса парами криоагентов (ис-
Таблица 1
парительные насосы) так же используют сжиженные газы. В этом случае криопанели насосов выполняют в виде змеевиков или плоских шайб с внутренними каналами. Криопанели охлаждаются в результате циркуляции по каналам и змеевикам паров испаряющегося криоагента. Циркуляция происходит под действием избыточного давления в сосуде Дьюара или от механического вакуумного насоса. Эти способы позволяют легко регулировать температуру криопанели в широком
диапазоне (выше и ниже нормальной температуры кипения криоагента), что обеспечивает экономичное расходование криоагента. Температуры кипения крио-агентов при различных давлениях приведены в табл. 1.
В испарительных насосах испаряющийся в кри-опанели газообразный гелий часто используют для охлаждения теплозащитных экранов до температур, промежуточных между нормальной и температурой криопанели; при этом отпадает необходимость использования другого криоагента. Поскольку в криопанелях испарительных насосов нет жидких криоагентов, то после остановки эти насосы легко отогревать. В этих насосах криопанель можно установить в любом пространственном положении.
Способ охлаждения с помощью автономных ожижителей обычно используют в крупных крионасосах. Сжиженный газ собирается в бачке, который служит и криопанелью. Отработанный газ, выходящий из бачка крионасоса, отдает холод в теплообменниках встречному потоку газа, идущему на ожижение; это существенно повышает экономичность процесса охлаждения насоса. Недостатки этого способа охлаждения — сложность обслуживания и необходимость постоянного контроля за работой ожижителя.
Охлаждение с помощью автономный газовых холодильных машин (криогенераторов) применяют для малых крионасосов. С помощью криогенераторов достигается температурный уровень 15...20 К и холо-допроизводительность 2...5 Вт. Холодильные машины удобны тем, что для их работы требуются только электропитание 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 криогенераторами экономичны, так как холод используется непосредственно в месте его получения.
Тепловые нагрузки
Тепловой расчет крионасосов разделяют на два этапа: определение тепловых нагрузок на криопанель и теплозащитный экран; определения расхода криоаген-тов или мощности криогенных устройств.
Температура кипения, К, при давлении, Па
Криоагент
102 8-104 5-104 2,7-104 1,3-104 7-103 1,3-103 7-102
Гелий 4,2 4,0 3,6 3,1 2,6 2,35 1,75 1,6
Водород 20,4 19,6 18,4 16,6 15,1 13,9 11,7 11,0
Неон 27,1 26,3 25,5 23,4 21,9 21,0 19,0 17,5
Азот 77,3 75,5 72,3 67,5 63,5 60,2 52,0 50,0
Кислород 90,0 88,0 84,5 79,0 74,5 70,4 62,3 60,0
Тепловую нагрузку на криопанель создают потоки: Фи — теплоизлучения с поверхностей, окружающих криопанель; Фм — теплопроводности через тепловые мосты (механические опоры ,и держатели криопанелей, подвески заливных бачков, трубки для подвода жидких криоагентов и отвода испаряющихся газов и др.); Фк — возникающие вследствие непрерывной конденсации откачиваемых газов; Фг — теплопроводности остаточных газов от стенки насоса к криопанели. Следовательно, суммарный тепловой поток Ф = Ф + Ф + Ф + Ф.
Пимкг
При давлении менее 0,1 Па основными источниками тепловых нагрузок на криопанель являются тепловое излучение и теплопроводность по тепловым мостам. Теплота конденсации и теплопроводность остаточных газов в общем балансе тепловых нагрузок составляют незначительную долю и ими можно пренебречь.
Тепловой поток к холодному телу 1, заключенному в полости теплого тела 2,
= ^пр F (Т4 -T)
(2)
Наиболее типичные конструкции экранов и варианты их расположения показаны на рис. 5. Характеристики этих вариантов приведены в табл. 5.
Тепловой поток через тепловые мосты, Вт:
Ф,
F ¡мг-у Цг2 - T)
F — ,
м
(4)
где Р — площадь поперечного сечения моста, м2; 1 — длина моста, м; X — теплопроводность материала моста, Вт/(м-К); ^ — средняя теплопроводность материала моста в температурном интервале Т Т , Вт/(м-К).
Для уменьшения потоков вследствие теплопроводности обычно используют длинные тонкостенные трубки из металлов с малой теплопроводностью X (коррозионно-стойкой стали, нейзильбера, мельхиора) — табл. 6. В табл. 7 приведены значения тепловых потоков через тонкостенные трубки длиной 100 мм из кованой коррозионностойкой стали.
где а = 5,67-10-8 Вт/(м2-К) — постоянная Стефана-Бо-льцмана; епр — приведенная степень черноты; Р2 — площадь поверхности теплого тела; Т1 , Т2 — температуры соответственно холодного и теплого тела.
Для коаксиальных цилиндров, концентрических сфер и параллельных плоскостей приведенную степень черноты определяют, считая диффузионное излучение серым, по формуле:
£пр
1
—+
Fl F
' ± - Г
VS 2
У
-1
(3)
Таблица 2
Материал Значение e при T, K
300 78 7,3
Медь 0,03 0,019 0,015
Алюминий 0,03 0,018 0,011
Коррозионно-стойкая сталь 0,10 0,06 —
Углеродистая сталь 0,6 — —
Серебро 0,03 0,01 —
где и е2 — степень черноты соответственно холодного и теплого тела; р — площадь поверхности холодного тела.
Экспериментальные значения степени черноты для материалов, наиболее широко применяемых в криона-сосах, приведены в табл. 2.
Степень черноты криопанели сильно зависит от количества газа (например, азота), сконденсированного на единице площади ее поверхности (рис. 4).
В табл. 3 и 4 даны значения тепловых потоков к кри-опанели (Т = 4,2 К) от экрана (Т = 77 К) при площади поверхности криопанели 1...100 дм2 и приведенной степени черноты у = 0,01...1,0; в приложении — значения тепловых потоков к экрану (Т = 77 К) от теплой стенки насоса (Т = 300 К).
Чернением значение е для теплозащитных экранов можно увеличить до 0,9 и более в очень широком диапазоне длин волн, однако конденсация на этих поверхностях паров воды и углеводородов существенно уменьшает е.
Рис. 4. Зависимость степени черноты е криопанели от количества конденсата (азота)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre &TATA», 2008
Таблица 3
е Тепловой поток, Вт, от экрана к криопанели площадью, дм2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0,01 2Х10-4 4Х10-4 6Х10-4 8Х10-4 1Х10-3 1,2Х10-3 1,4Х10-3 1,6Х10-3 1,8Х10-3
0,02 4Х10-4 8Х10-4 1,2Х10-3 1,6Х10-3 2Х10-3 2,4Х10-3 2,8Х10-3 3,2Х10-3 3,6Х10-3
0,03 6Х10-4 1,2Х10-3 1,8Х10-3 2,4Х10-3 3Х10-3 3,6Х10-3 4,2Х10-3 4,8Х 10-3 5,4Х10-3
0,04 8Х10-4 1,6Х10-3 2,4Х10-3 3,2Х10-3 4Х10-3 4,8Х10-3 5,6Х10-3 6,4Х 10-3 7,2Х10-3
0,05 1Х10-3 2Х10-3 3Х10-3 4Х10-3 5Х10-3 6Х 10-3 7Х 10-3 8Х10-3 9Х10-3
0,06 1,2Х10-3 2,4Х10-3 3,6Х10-3 4,8Х10-3 6Х10-3 7,2Х10-3 8,4Х10-3 9,6Х 10-3 10,8Х10-3
0,07 1,4Х10-3 2,8Х10-3 4,2Х10-3 5,6Х10-3 7Х10-3 8,4Х10-3 9,8Х10-3 11,2Х10-3 12,6Х10-3
0,08 1,6Х10-3 3,2Х10-3 4,8Х10-3 6,4Х10-3 8Х10-3 9,610-3 11,2Х10-3 12,8Х10-3 14,4Х10-3
0,09 1,8Х10-3 3,6Х10-3 5,4Х10-3 7,2Х10-3 9Х10-3 10,8Х10-3 12,6Х10-3 14,4Х10-3 16,2Х10-3
0,10 2Х10-3 4Х10-3 6Х10-3 8Х10-3 1Х10-2 1,2Х10-2 1,4Х10-2 1,6Х10-2 1,8Х10-2
0,20 4Х10-3 8Х10-3 1,2Х10-2 1,6Х10-2 2Х10-2 2,4Х10-2 2,8Х10-2 3,2Х 10-2 3,6Х10-2
0,30 6Х10-3 1,2Х10-2 1,8Х10-2 2,4Х10-2 3Х10-2 3,6Х10-2 4,2Х10-2 4,8Х 102 5,4Х10-2
0,40 8Х10-3 1,6Х10-2 2,4Х10-2 3,2Х10-2 4Х10-2 4,8Х10-2 5,4Х10-2 6,4Х 102 7,2Х10-2
0,50 1Х10-2 2Х10-2 3Х10-2 4Х10-2 5Х10-2 6Х 102 7Х 102 8Х10-2 9Х10-2
0,60 1,2Х10-2 2,4Х10-2 3,6Х10-2 4,8Х10-2 6Х10-2 7,2Х10-2 8,4Х10-2 9,6Х 102 10,8Х10-2
0,70 1,4Х10-2 2,8Х10-2 4,2Х10-2 5,6Х10-2 7Х10-2 8,4Х10-2 9,8Х10-2 11,2Х10-2 12,6Х10-2
0,80 1,6Х10-2 3,2Х10-2 4,8Х10-2 6,4Х10-2 8Х10-2 9,6Х10-2 11,2Х10-2 12,8Х10-2 14,4Х10-2
0,90 1,8Х10-2 3,6Х10-2 5,4Х10-2 7,2Х10-2 9,2Х10-2 10,8Х10-2 12,6Х10-2 14,4Х10-2 16,2Х10-2
1,00 2Х10-2 4Х10-2 6Х10-2 8Х10-2 1Х10-1 1,2Х10-1 1,4Х10-2 1,6Х10-1 1,8Х10-1
Таблица 4
е Тепловой поток, Вт, от экрана к криопанели площадью, дм2
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0,01 2Х10-3 4Х10-3 6Х 10-3 8Х 10-3 1Х 10-2 1,2Х 10-2 1,4Х10-2 1,6Х10-2 1,8Х10-2 2Х10-2
0,02 4Х10-3 8Х10-3 1,2Х10-2 1,6Х10-2 2Х10-2 2,4Х 10-2 2,8Х10-2 3,2Х10-2 3,6Х10-2 4Х10-2
0,03 6Х10-3 1,2Х10-2 1,8Х10-2 2,4Х10-2 3Х10-2 3,6Х 10-2 4,2Х10-2 4,8Х10-2 5,4Х10-2 6Х10-2
0,04 8Х10-3 1,6Х10-2 2,4Х10-2 3,2Х10-2 4Х10-2 4,8Х 10-2 5,6Х10-2 6,4Х10-2 7,2Х10-2 8Х10-2
0,05 1Х 10-2 2Х10-2 3Х 10-2 4Х 10-2 5Х10-2 6Х10-2 7Х 10-2 8Х 10-2 9Х10-2 1Х 10-2
0,06 1,2Х 10-2 2,4Х10-2 3,6Х10-2 4,8Х10-2 6Х10-2 7,2Х 10-2 8,4Х10-2 9,6Х10-2 10,8Х10-2 1,2Х10-1
0,07 1,4Х 10-2 2,8Х10-2 4,2Х10-2 5,6Х10-2 7Х10-2 8,4Х 10-2 9,8Х10-2 11,2Х 10-2 12,6Х10-2 1,4Х10-1
0,08 1,6Х 10-2 3,2Х10-2 4,8Х10-2 6,4Х10-2 8Х10-2 9,610-2 11,2Х 10-2 12,8Х10-2 14,4Х10-2 1,6Х10-1
0,09 1,8Х 10-2 3,6Х10-2 5,4Х10-2 7,2Х10-2 9Х10-2 10,8Х10-2 12,6Х10-2 14,4Х10-2 16,2Х10-2 1,8Х10-1
0,10 2Х10-2 4Х10-2 6Х10-2 8Х 10-2 1Х 10-1 1,2Х 10-1 1,4Х10-1 1,6Х10-1 1,8Х10-1 2Х10-1
0,20 4Х10-2 8Х10-2 1,2Х10-1 1,6Х10-1 2Х10-1 2,4Х 10-1 2,8Х10-1 3,2Х10-1 3,6Х10-1 4Х10-1
0,30 6Х10-2 1,2Х10-1 1,8Х10-1 2,4Х10-1 3Х10-1 3,6Х 10-1 4,2Х10-1 4,8Х10-1 5,4Х10-1 6Х10-1
0,40 8Х10-2 1,6Х10-1 2,4Х10-1 3,2Х10-1 4Х10-1 4,8Х 10-1 5,6Х10-1 6,4Х10-1 7,2Х10-1 8Х10-1
0,50 1Х 10-1 2Х10-1 3Х 10-1 4Х10-1 5Х10-1 6Х10-1 7Х 10-1 8Х 10-1 9Х10-1 1,0
0,60 1,2Х 10-1 2,4Х10-1 3,6Х10-1 4,8Х10-1 6Х10-1 7,2Х 10-1 8,4Х10-1 9,6Х10-1 10,8Х10-1 1,2
0,70 1,4Х 10-1 2,8Х10-1 4,2Х10-1 5,6Х10-1 7Х10-1 8,4Х 10-1 9,8Х10-1 11,2Х 10-1 12,6Х10-1 1,4
0,80 1,6Х 10-1 3,2Х10-1 4,8Х10-1 6,4Х10-1 8Х10-1 9,6Х 10-1 11,2Х 10-1 12,8Х10-1 14,4Х10-1 1,6
0,90 1,8Х 10-1 3,6Х10-1 5,4Х10-1 7,2Х10-1 9Х10-1 10,8Х10-1 12,6Х10-1 14,4Х10-1 16,2Х10-1 1,8
1,00 2Х10-1 4Х10-1 6Х 10-1 8х10-1 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Ч^Г Í —' Л [Л t-r1Н Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» N24 (82) 2008 U^_J<¿J¡_AjlbLb © Научно-технический центр «TATA», 2008
Рис. 5. Конструктивные схемы защитных экранов и криопанелей (стрелки соответствуют направлению откачки): 1 — экран; 2 — криопанель; 3 — корпус
Таблица 5
Конструктивная схема Геометрический фактор Вероятность Коэффициент
обозначение значение пролета тепловой защиты
Плоскощитковая (см. рис. 13.5, а) 1А 0,080 0,125 0,250 0,090 0,122 0,134 0,010
Наклонно -щитковая (см. рис. 13.5 б) Ф, ° 45 0,360 0,015
Шевронная (см. рис. 13.5 в) у, ° 60 90 120 0,290 0,324 0,360 0,007
Рационально-защитная (см. рис. 13.5 г) 1,0 1,5 0,70 0,84 —
Таблица 6
Сплав Значение X, Вт/(смхК), при Т, К
4 6 10 20 40 80 150 300
Нейзильбер 0,007 0,013 0,028 0,740 0,130 0,170 0,18 0,20
Коррозионно-стойкая сталь 0,0025 0,004 0,007 0,020 0,046 0,080 0,11 0,15
Тепловой поток, возникающий вследствие теплопроводности остаточных газов, Вт:
Фг = 3,2-1Q-3 Fn
tt п tt с
к +1
Р
«С +(Fn / Fc )(1-ас )ап к -1
(Тс - T)
(5)
где а — коэффициент аккомодации; к — показатель Ориентировочные значения коэффициента аккомо-
адиабаты; М — молярная масса; ТГ — температура дации а приведена в табл. 8. газа, индексы П и С соответствуют панели и станки.
18
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre &TATA», 2008
тлт
Таблица 7
Размеры трубки моста Тепловой поток Ф Вт при температуре на концах
Толщина стенки, мм Площадь трубки длиной 100 мм
Диаметр, мм поперечного сечения, мм2 Т1=4 К; Т2=77 К Т1=77 К; Т2=300 К Т1=4 К; Т2=1 300 К
2 1,13 3,92х10"3 3,78х10-2 4,17х 10-2
3 1,76 6,11х10"3 5,88х10-2 6,49х 10-2
4 2,39 8,33х10-3 7,99х10-2 8,82х 10-2
5 3,02 1,05х10-2 1,02х10-1 1,12х 10-1
6 3,64 1,20х10-2 1,21х 10-1 1,34х 10-1
7 4,27 1,48х10-2 1,42х10-1 1,57х 10-1
8 0,2 4,91 1,71х 10-2 1,64х10-1 1,81х 10-1
9 5,53 1,94х10-2 1,85х10-1 2,04х 10-1
10 6,16 2,14х10-2 2,06х10-1 2,27х 10-1
11 6,78 2,36х10-2 2,26х10-1 2,50х 10-1
4 5,50 1,91х 10-2 1,84х10-1 2,03х 10-1
10 14,92 5,18х10-2 4,99х10-1 5,51х 10-1
11 16,49 5,72х10-2 5,52х10-1 6,09х 10-1
12 18,07 6,26х10-2 6,05х10-1 6,68х 10-1
13 19,63 6,81х10-2 6,57х10-1 7,25х 10-1
14 21,21 7,36х10-2 7,09х10-1 7,83х 10-1
15 22,78 7,90х10-2 7,61х10-1 8,40х 10-1
16 24,34 8,44х10-2 8,12х10-1 8,96х 10-1
17 25,92 9,00х10-2 8,67х10-1 9,57х 10-1
18 0,5 27,49 9,55х10-2 9,25х10-1 1,02
21 32,20 1,12х 10-1 1,08 1,19
8 10 22,00 7,64х10-2 7,36х10-1 8,12х 10-1
14 28,27 9,83х10-2 9,42х10-1 1,04
18 40,84 1,42х10-1 1,37 1,51
20 53,41 1,85х10-1 1,79 1,97
59,69 2,07х10-1 1,99 2,20
25 75,39 2,62х10-1 2,52 2,78
28 84,82 2,94х10-1 2,84 3,13
40 122,53 4,25х10-1 4,10 4,52
45 1,0 138,23 4,79х10-1 4,62 5,10
50 153,94 5,34х10-1 5,15 5,68
60 185,35 6,48х10-1 6,24 6,89
70 216,77 7,54х10-1 6,25 8,00
Таблица 8
Т, К Значение а для
Воздуха Н2 Не
300 0,8...0,9 0,3 0,3
77 1,0 0,5 0,6
20 1,0 1,0 0,6
Тепловой поток, обусловленный конденсацией, Вт:
1
фк = YFnP
,JlnRTr
AI
(6)
где у — коэффициент конденсации; Я =8,314 Дж/ (моль-К) — универсальная газовая постоянная; АI — среднее изменение энтальпии при конденсации.
На рис. 6 приведена зависимость теплового потока Фк от давлении азота, водорода и паров воды (на единицу площади поверхности криопанели) при разности температур от 300 К до абсолютного нуля с учетом теплоты испарения и конденсации при у = 1.
Фк, Вт/м;
ИГ
101
10
10
о
f
1
2 /
10
10
-3
10
10
Па
Рис. 6. Зависимость теплового потока ФК, обусловленного конденсацией, от давления р для паров воды, водорода и азота (линии соответственно 1, 2 и 3)
Если газ предварительно охлажден, например, на азотоохлаждаемом теплозащитном экране, удельный тепловоз поток на криопанель, обусловленный
конденсацией, будет меньше. При высоком вакууме тепловой поток, обусловленный конденсацией, составляет незначительную часть тепловых потоков и им можно пренебречь.
Расход криоагента на предварительное охлаждение крионасоса в интервале температур от Т до Т2 при условии использования только теплоты испарения криоагента практически можно определить по формуле:
0м = (m / Г)СМ (T1 - T2 )
(7)
где т — охлаждаемая масса насоса; г — скрытая теплота парообразовании (табл. 9); См — средняя удельная теплоемкость.
Значения См, Дж/(г-К), некоторых материалов при температуре 20...77 К (числитель) и 77...293 К (знаменатель) приведены ниже:
Медь 0,10/0,33
Коррозионно-стойкая сталь 0,07/0,036
Алюминий 0,17/0,73
Никель 0,09/0,86
Монель 0,08/0,33
Если при охлаждении насоса используют теплоту испарения и холод, то расход криоагента, г:
Q
mc
м
м
ln
Г + (TH - ТИ )СР r + (Tn - ТИ)СР
(8)
где 3Г — средняя энтальпия охлаждающего газа; Тн — начальная температура; Ти — температура испарения; Ср — средняя удельная теплоемкость газа.
Расход испаряемого криоагента во время работы крионасоса
Qk = Фп /Г.
(9)
Таблица 9
Сжиженный газ Температура кипения, К r Скорость испарения криоагента (на 1 Вт теплового потока), дм3/ч
Дж/г кДж/дм3
n2 77,3 200,0 162,0 0,021
Ne 27,2 87,0 102,0 0,035
H2 20,4 450,0 31,7 0,160
He 4,2 21,6 2,7 1,400
20
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ШЛШ
Высоковакуумные конденсационные насосы
Условия, необходимые для проведения конденсационной откачки, т. е. процесса десублимации газа, следуют из диаграммы состояния веществ при фазовых превращениях (рис. 7). На диаграмме нанесены линии равновесного состояния фаз: ОВ — парообразной и жидкой, ОА — жидкой и твердой, СО — парообразной и твердой. Эти линии разделяют плоскость диаграммы на три области: область 3 соответствует газо- или парообразному состоянию вещества, область 33— жидкой фазе, область 333 — твердой фазе.
Рис. 7. Диаграмма состояния
Точку В называют критической. В области, расположенной выше этой точки, нет различия между жидким и газообразным состоянием, и при температуре выше критической (Т*) вещество может находиться только в
Таблица 11
Таблица 10
Газ (пар) Т °, К Параметры тройной точки
p, Па Т, К
n2 126,3 1,24х104 63,2
O2 154,8 146 54,4
H2 33,2 7,2х103 13,9
Ar 150,7 1,52х104 83,9
Ne 44,4 4,32х104 24,8
Kr 209,4 7,68х104 115,5
CO2 304,2 14,5х105 216,9
CO 132,9 1,54х104 68,1
CH4 191,1 1,18 х 104 90,7
H2O 647,33 560 273,2
газообразном состоянии. Точка О, называемая тройной, соответствует равновесному состоянию трех фаз: газообразной, жидкой и твердой. Параметры тройных точек для некоторых газов приведены в табл. 10. Направление криооткачки на диаграмме показано линией её. Точка / соответствует десублимации газа.
Физические свойства конденсата существенно зависят от условий, при которых происходит конденсация газов в твердое состояние, поэтому некоторые значения следует рассматривать как ориентировочные.
В табл. 11 приведены значения плотности конденсата при различных условиях конденсации [30], а в табл. 12 — плотности р газов в твердофазном состоянии [43].
Конденсируемый газ (пар) Режим напуска газа Температура газа, К Давление конденсации, Па Температура криопанели, К Интенсивность конденсации, мг/ (м2хс) Плотность конденсата, г/см2
Непрерывный 290 6,1 х10-3 77 19 0,58+0,069
Н2О Периодический 300 0,13 78 — 0,55
Непрерывный 300 0,13 78 89 0,49
290 0,5 77 255 1,46+0,18
78 — 1,39
4,2 1369 1,25+0,06
CO2 4,2 77,4 1267 450 1,38+0,21 0,92+0,05
Периодический 300 0,13 77,4 77,4 77,4 1217 1383 4183 0,93+0,05 1,20+0,06 1,33+0,07
N2 4,2 367 1,62+0,26
4,2 783 1,51+0,19
Таблица 12
Газ (пар) Т, К p, кг/м3
n2 20...30 0,95
02 20,6 1,43
^ 4,2.13 0,08
H20 77 0,58
CO 21.65 0,98
C02 77.194 1,53
CH4 20 0,52
Ar 20.83 1,69
Ne 4,3.24 1,44
Kr 14.78 2,96
Xe 130 3,64
Эффективность процесса конденсационной откачки во многом зависит от того, как быстро могут быть переданы тепловые нагрузки через слой конденсата, т. е. от его теплопроводности. В табл. 13 приведены приближенные значения теплопроводности X конденсатов некоторых газов.
Таблица 13
Газ Т, К X, Вт/(мхК)
N2 60.62 0,1
H2 10.14 1,0
CH4 14.20 0,08
Ar 5.20 2,2
Kr 5.40 1,8
Ne 4.10 1,2
Основные характеристики крионасосов — предельное остаточное давление, быстрота действия и ресурс.
Предельное остаточное давление насоса, т. е. давление рпр, П во входной полости насоса немного
Таблица 14
превышает давление рнас насыщенных паров при температуре Т конденсирующей поверхности:
Рпр = Рн
:V TC / Tn
(10)
где Тс — температура стенки. Температуры насыщенного пара наиболее распространенных в вакуумной технике газов при низких давлениях приведены в табл.14. На рис. 8 дана зависимость давления насыщенных паров от температуры.
Быстрота действия конденсационного насоса 5, дм3/с, зависит от проводимости Цэ теплозащитного экрана, дм3/с:
Б = Бк иэ/(Бк+иэ), (11)
где Бк — скорость конденсации на криопанели;
5к = ^^ (12)
где кп — коэффициент прилипания; 5Т — удельная теоретическая быстрота действия.
Коэффициент кп (табл. 15) учитывает сложность процесса конденсации и влияние различных факторов на его протекание. В табл. 16 приведены коэффициенты прилипания паров некоторых веществ, легко конденсирующихся на криопанелях, при охлаждении жидким азотом (Т = 77 К).
Удельная теоретическая быстрота действия 5т (для конденсационного насоса — удельная теоретическая скорость конденсации) зависит от вида течения газа:
при молекулярном течении
Sf м = 3,64^Тг / M
при вязкостном течении
(13)
S -
°т. в
2kRT
(к +1)
(14)
Газ (пар) Т, К, при р, Па
10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10 101 102 103 104 105
N2 18,1 19 20,0 21,1 22,3 23,7 25,7 27,0 29,0 31,4 34,1 37,5 41,7 47,0 54,0 63,4 80,0
Ar 20,3 21,3 22,5 23,7 25,2 26,8 28,6 30,6 33,1 35,9 39,2 43,2 48,2 54,4 62,5 73,4 89,9
H20 113,0 118,5 124,0 130,0 137,0 144,5 153,0 162,0 173,0 185,0 198,5 215,0 233,0 256,0 284,0 325,0 381,0
H2 -2,7 2,8 3,0 3,2 3,5 3,7 4,0 4,4 4,8 5,4 6,1 6,9 8,0 9,6 11,7 15,1 21,4
C02 59,5 62,2 65,2 68,4 72,1 76,1 80,6 85,7 91,5 98,1 106,0 114,4 125,0 137,5 153,5 173,0 198,0
02 21,8 22,8 24,0 25,2 26,6 28,2 29,9 31,9 34,1 36,7 39,8 43,3 48,1 54,1 62,7 74,5 92,9
Kr 27,9 29,4 30,9 32,7 34,6 36,8 39,3 42,2 45,5 49,4 53,9 59,4 66,3 74,8 85,9 101,0 123,5
Xe 38,5 40,5 42,7 45,1 47,7 50,8 54,2 58,2 62,7 68,1 74,4 82,1 91,5 103,5 118,5 139,5 170,0
CH4 24,0 25,3 26,7 28,2 30,0 32,0 34,2 36,9 39,9 43,5 47,7 52,9 59,2 67,3 77,7 91,7 115,0
Ne 5,5 5,8 6,1 6,5 6,9 7,3 7,9 8,5 9,2 10,1 11,1 12,3 13,9 15,8 18,5 22,1 27,5
N0 37,7 39,4 41,3 43,4 45,6 48,1 50,9 54,0 57,6 61,6 66,3 71,7 78,1 85,7 95 106,5 123,5
22
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ШЛШ
Не,
н2 N сн4 /со2
/ Ne СО \ H*°J
Кг
н2 N
Аг^
°2 i
1 2 3457 10 2 3457 10 2 Т, К
Рис. 8. Зависимость давления рнас насыщенных паров различных газов от температуры Т
Таблица 15
Газ тг к Значение кП при температуре криопанели, К
10 12,5 15 17,5 20 22,5 25
77 1,0 0,99 0,96 0,90 0,84 0,80 0,79
N2 300 0,65 0,63 0,62 0,61 0,60 0,60 0,60
400 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49
77 1,0 1,0 0,90 0,81 0,80 0,79 0,79
Ar 300 0,68 0,68 0,67 0,66 0,66 0,66 0,66
400 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50
195 1,0 0,98 0,96 0,92 0,90 0,87 0,85
CO2 300 0,75 0,70 0,67 0,65 0,63 0,63 0,63
400 — — 0,50 0,49 0,49 0,49 0,49
CO 300 400 0,90 0,73 0,85 0,73 0,85 0,73 0,85 0,73 0,85 0,73 0,85 0,73 1,85 0,73
O2 77 300 — — — — 1,0 0,86 — —
Таблица 16
Вещество кП
H2O 0,92
NH3 0,45
CH3OH 1,0
C2H3OH 1,0
CCl4 1,0
CH2Cl 0,933
CH2Cl2 0,82
CF2Cl2 0,76
SO2 0,74
n2o 0,61
CH3Cl 0,56
ch3coch3 0,55
Значения удельной теоретической скорости конденсации рассматриваемых насосов по некоторым газам при молекулярном режиме течения приведены в табл. 17. При вязкостном режиме течения теоретическая скорость конденсации выше, чем при молекулярном (табл. 18). Область переходного режима (рис. 9 —заштрихована) для скорости конденсации четко не определена. Однако сохранить скорость конденсации в вязкостном режиме на максимальном уровне длительное время невозможно, так как довольно быстро увеличивается толщина конденсата, следовательно, повышается температура поверхностного слоя и уменьшается скорость конденсации.
Таблица 17
Таблица 18
Газ ^ К Значение sT, дм3/(схм2), при Т, К
293 78
CO2 78 9,4 —
N2 20,4 11,8 6,1
O2 20,4 11,0 5,7
Ne 4,2 13,9 7,2
H2 4,2 44,1 22,7
Газ k sTB, дм3/(схм2), при ТГ = 293 К s s T.B/ T.M
Ar 1,67 17,9 1,81
N2 1,40 20,1 1,71
Пары воды 1,33 24,8 1,69
d0 — X ^ ъ
T)
Фи + Ф *
(15)
В практических расчетах для области высокого вакуума потоком Фк можно пренебречь.
Пример расчета. При расчете высоковакуумных конденсационных насосов примем следующие допущения: режим течения газа — молекулярный: температурное сопротивление конденсата (криоосадка) пренебрежимо мало; свойства поверхностей, находящихся на одинаковых температурных уровнях, идентичны.
Упрощенную методику расчета рассмотрим на примере конденсационного насоса (рис. 10). Требуемая быстрота действия по азоту £ = 2000 дм3/с.
Площадь поверхности криопанели при ее температуре ТК = 4,2 К и коэффициенте прилипания кП = 1(для азота) криопанели
Fn = ^ / S РЛ
(16)
На рис. 13.9 показана качественная зависимость скорости конденсации от режима течения газа. Действительная скорость конденсации £д всегда меньше теоретической £ Это объясняется тем, что всегда кп < 1, а при вязкостном режиме течения и тем, что затруднен теплообмен между криопанелью и откачиваемым газом.
S
к
1 \
I ^ W II ^ W III Р
Рис. 9. Зависимость теоретической (кривая 1) и действительной (кривая 2) скорости конденсации от давления при различных режимах течения: I — молекулярном; II — переходном; III — вязкостном
Ресурс конденсационного насоса определяется допустимой толщиной конденсата. Температура Тк поверхностного слоя конденсата из-за наличия температурного градиента (по толщине) не должна превышать температуры, при которой давление насыщенных паров откачиваемых газов превышает допускаемое. Толщина слоя конденсата (криоосадка)
Рис. 10. Расчетная схема конденса-ционного насоса
Пренебрегая изменением коэффициента аккомодации молекул откачиваемого газа на экране, можно считать, что при Т=300 К удельная теоретическая скорость конденсации азота £т= 11,9 дм3/(с-см2).
Вероятность пролета молекул через шевронный
24
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ismi
экран Рп, 0,29 (см. табл. 5). Тогда
= 2000/(11,9-0,29) 600 см2.
Задавшись соотношением размеров бачка 2гб = Ь, найдем диаметр и высоту бачка (т. е. размер криопа-нели);
2гб = h = VFn /(1,5л) « 11,5
см
При определении тепловой нагрузки на криопанель примем степень черноты криопанели уп =0.5 (с учетом по-крытия ее слоем конденсата); тогда по формуле (2) получим Ф = 6,28 10-2 Вт.
^ и.п ?
Для определения тепловой нагрузки на теплозащитный экран найдем площадь его поверхности из условия, что он удален от бачка на 1 см. При этом условии ^ = 885 см2. При зачерненной наружной поверхности теплозащитного экрана (е = 0,9) по формуле (2) получим Фи э- 36,5 Вт.
Далее определим потоки через тепловые мосты, ко -торыми являются трубки подвеса гелиевого и азотного бач-ков. Гелиевый бачок подвешен на двух трубках длиной I = 40 см, 0,25 длины которых контактирует с азотоохлаждае-мой поверхностью. Диаметр трубок 11 мм, толщина стенки 0,2 мм. Для трубок из коррозион-ностойкой; стали по табл. 13.7 в диапазоне температур 4...77 К получим Ф = 0,016 Вт.
^ м.п 7
Тепловой поток на азотный бачок передается через две трубки гелиевого бачка (0,25 длины) и две трубки азот-ного бачка (0,5 общей длины трубок гелиевого бачка); тогда по табл. 13.7: Фм э = 0,452 + 0,226 = 0,678 Вт
Таким образом, тепловая нагрузка на гелиевый бачок (криопанель) Ф = Ф + Ф -0,08 Вт, а на азотный
^ ~ ' п и.п м.п ? ?
бачок (экран) Ф = Ф + Ф -37,2 Вт.
^ ~ ' э и.э м.э ?
Последний этап расчета — определение расхода криоагентов. По табл. 9, в которой приведена скорость ис-парения криоагента на 1 Вт теплового потока, определим расход гелия (0,11 дм3/ч) и жидкого азота .(-0,8 дм3/ч).
Эффективность и экономичность криооткачки существенно зависят от конструктивных схем насоса и теплоза-щитного экрана, а также от расположения насоса относительно камеры.
Низковакуумные конденсационные насосы
Низковакуумная откачка газов конденсационными насосами, как и высоковакуумная, возможна, если темпера-тура криопанели ниже температуры насыщенных паров откачиваемого газа. При откачке воздуха до низкого и среднего вакуума (от атмосферного до давления 1 Па) температура насыщенных паров изменяется от 81,6 до 34,5 К. В связи с этим в низковакуумных насосах
наиболее распространены криоагенты, переохлажденные откачкой паров жидкого и твердого азота, жидкого неона с температурой 75...11 К.
Конструктивно низковакуумные насосы разделяют на имеющие сборник жидкого конденсата (если откачка воздуха происходит при р > 5,9 кПа) и без сборника жидкого конденсата. При использовании жидкого криоагента конструкция насоса включает сосуд для криоагента; если криопанель охлаждается газообразным криоагентом, то он циркулирует по змеевику, находящемуся в тепловом контакте с кри-оагентом. Большая часть низковакуумных насосов снабжена предварительными теплообменниками с жидким азотом, в которых откачиваемый воздух перед конденсацией на криопанели охлаждается до температуры 80 К. Для уменьшения энергозатрат на откачку и количества ис-пользуемого в насосе криоагента его подают в криопанели в рефрижераторном режиме.
Основные преимущества низковакуумных кон -денсационных насосов высокая чистота остаточной атмосферы; отсутствие шумов и различных выбросов в окружающую среду; малые капитальные затраты на изготовление; недостатки — повышенные энергозатраты при откачке газов с давлением, близким к атмосферному; необходимость уста-новки для получения криоагента.
В настоящее время разработаны низковакуумные конденсационные насосы для откачки камер объемом от 1-10-3 до 120 м3
Методика расчета низковакуумных конденсационных насосов. При расчете низковакуумных насосов основное внимание уделяют определению массы требуемого для откачки криоагента или мощности охлаждающих устройств, а также интенсивности процессов теплообмена в предварительных теплообменниках и в конденсирующем элементе для нахождения длительности процесса откачки.
В отличие от высоковакуумных насосов в низковакуумном насосе расход криоагента определяется не тепло-притоками излучением и через тепловые мосты, а количеством теплоты, выделяемой при конденсации.
Масса газа, откачиваемого крионасосом,
V
шт
RT
(Ро - Рнас)
(17)
где V — объем откачиваемой камеры; Тг — температура газа в откачиваемой камере; Я — газовая постоянная; р0 — начальное давление откачки; рнас — давление насыщенных паров откачиваемого газа при температуре криоагента.
Скорость процесса конденсации откачиваемого газа в жидкую фазу, как правило, превышает скорость пог-ло-щения теплоты криоагентом, поэтому время откачки при использовании жидкого криоагента
mTQ0
К (ATKÜ) F
(18)
Kp/J П
где Q0 — количество теплоты, отдаваемой откачиваемым газом при охлаждении до температуры конденсации и при конденсации; Фуд (^Т ) — тепловой поток при кипении криоагента; — площадь поверхности криопанели.
При откачке в рефрижераторном режиме
tv =
(19)
где Q — холодопроизводительность криогенной рефрижераторной установки.
Масса расходуемого при откачке жидкого крио-агента
Мк = ш^0/г, (20)
где г— скрытая теплота парообразования криоагента.
Мощность, затрачиваемая на откачку в рефрижераторном режиме:
N=n/p = NmrQ0 Q
(21)
где N — мощность электрооборудования криогенной установки.
Если низковакуумный насос снабжен теплообменником для предварительного охлаждения откачиваемого газа на температурном уровне, отличном от температуры конденсации (например, при использовании жидкого азота, кипящего при атмосферном давлении), то интенсивность охлаждения газа зависит от режима течения газа (турбулент-ное или ламинарное) и определяется критериальным уравнением
N = / Я р щ,
где N Яе и Рг — критерии Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля; I — длина участка охлаждения; ё — характерный диаметр.
Значение критерия Нуссельта позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи и температуру, до которой охла-ждается газ в предварительном теплообменнике, При конденсации откачиваемого газа в низковакуумном насосе в твердую фазу время откачки определяется скоростью увеличения толщины слоя криоосадка на охлажденных панелях; при этом справедливо соотношение
tn = (h2 - 2 h)
д a
Q'p,
2АТК X K
(22)
где к — толщина криоосадка; X Q', рк — соответственно теплопроводность, теплота де сублимации и
плотность криоосадка; , Т. — перепад температуры в криоосадке; а — коэффициент теплоотдачи от крио-панели к криоагенту.
Адсорбционные насосы
Принцип действия адсорбционного насоса основан на температурной обратимости физической адсорбции, т. е. поглощении газа твердым сорбентом при снижении температуры и выделении его сорбентом при повышении темпе-ратуры.
Адсорбционные насосы применяют в системах безмасляной откачки для получения как форвакуума, так и весьма низких давлений (до 10-5 Па) в замкнутых объемах.
В качестве сорбента в насосах применяют пористые вещества с сильно развитой внутренней поверхностью
(Бад 1000 м2/г), к которым относятся синтетические и природные цеолиты, активные угли и силикагели. На практике наиболее широко используют углеродные гранулированные сорбенты типа СКТ, специализированный вакуумный цеолит СаЕН-4В и специализированный углеродный тканый сорбент типа КУТ-2.
Адсорбционные насосы создают вакуум, свободный от углеводородов, имеют практически неограниченный срок службы и при эксплуатации не создают шума.
Адсорбционный насос представляет собой устройство, содержащее слой сорбента толщиной не более 30 мм внутри корпуса на развитой теплообменной поверхности криопанели, омываемой криоагентом. Корпус насоса снабжен, как правило, двумя патрубками: один (большего диаметра) служит для подсоединения к камере, другой (мень-шего диаметра)— для проведения регенерации. Насос включает устройство для нагрева сорбента и предохранительный мембранный узел на случай аварийного повышения давления в объеме насоса.
Недостатки адсорбционного насоса — необходимость периодической регенерации и значительное время пуска.
Основные характеристики адсорбционных насосов — быстрота действия по откачиваемому газу и ресурс—определяются температурой сорбента и его удельной сорбционной емкостью.
Температура сорбента в адсорбционных насосах всегда выше температуры криоагента и характеризуется функ-цией распределения или полем, которое при расчете удобно заменить средней температурой, отнесенной к массе сорбента. Средняя температура сорбента определяется системой тепловой защиты. Для реальных систем при исполь-зовании для защиты сорбента от теплового потока шевронных или жалюзийных охлаждаемых теплозащитных экра-нов средняя температура на 10...20 К выше температуры криоагента. При использовании пористых теплозащитных экранов, изготовленных из медного порошка,
t
26
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ismi
средняя температура сорбента превышает температуру криоагента на несколько градусов. С точки зрения эффективности тепловой защиты сорбента, а также технологичности конструкции насоса пористый теплозащитный экран предпочтителен. Пористые экраны изготовляют из порошков фосфористой, меди спеканием при температуре 1073...1425 К в восстановительной среде при свободной насыпке в специальные прессформы. При этом используют порошки различных фракций, основные параметры которых, а также получаемых экра-нов приведены в табл. 19.
где Фуд — удельный тепловой поток на единицу поверхности экрана; П — периметр теплозащитного экрана; 1м и йм — длина и толщина теплового моста; П — число тепловых мостов; и — теплопроводность материалов соответственно моста и экрана; йЭ — толщина экрана.
Теплопроводность материала экрана определяется пористостью Пэ этого материала и теплопроводностью ком-пактного (монолитного) материала, используемого для изготовления экрана. Теплопроводность материала экрана можно определить по эмпирической формуле
Таблица 19
№ функции Диаметр частиц, мкм Пористость П Э
d . min d max d
1 80 200 105 0,295...0,315
2 200 350 245 0,325...0,340
3 350 500 400 0,350.0,395
4 500 630 555 0,400.0,425
5 630 1000 755 0,415.0,460
Для адсорбционных кассет основных, видов — плоской, цилиндрической сферической — с пористыми экранами среднюю температуру вычисляют по формулам соответственно:
т ад = 0,5(Г э + Т кр)
T = T + (T - Т ) X
ад кр V кр '
Т = T +
ад кр
кр.
Dt
1
D - D
2ln(D3 /Dc),
Dc (T - T ) 3 (T - T )DCD3
D - Dr
2 Dl
D3 Dc + Dc 2
(23)
где Ткр — температура криоагента; ТЭ — температура на периферии адсорбционного слоя, принимаемая равной температуре теплозащитного экрана; БС и БЭ — диаметры сосуда соответственно для криоагента и теплозащитного экрана.
Если экран охлаждают отводом теплоты на криогенную поверхность через тепловые мосты, его средняя температура
- Фуя Я/ T — t + уд м
кр nd„ X „
+
ФУЯ п 12n2^ э dэ
(24)
X = 0,14Х (1 - П)/(1 + П),
(25)
где X. — теплопроводность компактного (монолитного) материала исходного порошка.
Удельный тепловой поток для наливных насосов
ф,д = (Т4 -Тэ4)
(26)
где Т2 — температура корпуса насоса.
Приведенную степень черноты для цилиндрической и сферической кассеты определяют по формуле (3); для плоской кассеты
пр
[1/8Э + 1/82
1]"1
(27)
где еЭ и е2 — степени черноты соответственно поверхности крана и внутренней поверхности корпуса (для пористых кранов из порошка фосфорита меди еЭ = 0,3 и практически не зависит от размера частиц и температуры крана).
Для насосов с охлаждаемым корпусом (погружных) тепловой поток определяют опытным путем.
В уравнения для определения средней температуры сорбента не входят его теплофизические параметры, поскольку стационарное температурное поле в слое сорбента при отсутствии внутренних тепловых источников полностью определяется граничными условиями, т. е. температурами крана, ребер и криоагента. Теплофизические параметры сорбента влияют на время его охлаждения, а также на скорость нагрева при регенерации. В связи с тим для расчета нестационарных тепловых процессов необходимо знать теплофизичес-кие характеристики слоев сорбента в условиях вакуума и криогенных температур. Ориентировочные данные для цеолитов приведены в табл. 20.
Таблица 20
Цеолиты ax105, м2/с А,х103, Вт/ (мхК) а, Вт/ (м2хК)
Гранулированные Порошковые 1.2 4.5 5.6 1.2 0,3.0,4 2,0.3,0
Углеродные сорбенты имеют более высокую теплопроводность, чем цеолиты, поэтому для адсорбционных насосов, в которых используют активные угли, характерна меньшая тепловая инерционность, чем для цеолитовых. Точных данных по теплопроводности слоев углеродных сорбентов в условиях вакуума и криогенных температур нет.
Удельная сорбционная емкость сорбента и — основной расчетный параметр, который зависит от давления, температуры и условий подготовки сорбента. При определении удельной сорбционной емкости фактор подготовки учитывают коэффициентом регенерации, который показывает, какая часть потенциальной сорб-ционной емкости сорбента реализуется в насосе. Для цеолита СаЕН-4В значения коэффициента регенерации в зависимости от давления, температуры и времени регенерации приведены в табл. 21. При отклонении реального процесса регенерации от приведенных параметров ориентировочные значения коэффициента регенерации можно определить интерполяцией. При проектных расчетах для углеродных сорбентов с учетом их гидрофобности можно принять 3 = 0,90...0,95
адсорбции азота при Т = 77 К.
Для определения удельной сорбционной емкости графическим методом необходима сетка изотерм. При ее отсутствии можно воспользоваться аналитической зависимостью удельной сорбционной емкости от температуры и давления — термическим уравнением адсорбции. В вакуумной технике обычно применяют два уравнения: Генри и Дубинина — Радушкевича.
Уравнение Генри, справедливое для вакуумных сорбентов при степени заполнения 0 < 0,15, имеет вид
и = Вр ехр [Еад/(ЯТ ад)],
(28)
где В — эмпирическая константа; Еад— адсорбционный потенциал (теплота адсорбции); Я — универсальная газовая постоянная.
Значения В и Е приведены в табл. 22.
Таблица 21
Значение ßр при давлении, Па, и температуре, К, регенерации
Время 13,3 Па 4,0 Па 1,33 Па
регенерации, Менее
ч 343 373 393 АТ5 V 343 171 V 373 К 1Q1 V 393 К 423 343 373 393 А71 V 0,13
К К К 423 К К К К К К 423 К Па
1 0,117 0,205 0,316 0,471 0,153 0,269 0,349 0,610 0,183 0,322 0,429 0,634 —
5 0,133 0,233 0,355 0,494 0,186 0,324 0,413 0,664 0,213 0,231 0,525 0,720 —
10 0,138 0,245 0,359 0,515 0,193 0,347 0,449 0,687 0,254 0,425 0,546 0,754 0,107
20 0,142 0,251 0,366 0,516 0,198 0,351 0,460 0,695 0,258 0,439 0,568 0,771 0,122
30 0,143 0,253 0,370 0,518 0,203 0,359 0,469 0,702 0,263 0,454 0,583 0,783 0,126
40 0,144 0,255 0,371 0,518 0,207 0,365 0,477 0,709 0,268 0,461 0,587 0,794 0,132
50 0,145 0,257 0,372 0,518 0,209 0,371 0,485 0,715 0,273 0,466 0,589 0,802 0,134
60 0,146 0,258 0,373 0,518 0,212 0,376 0,492 0,720 0,277 0,469 0,591 0,809 0,139
Примечания: 1. а — температуропроводность; X — теплопроводность слоя; а — коэффициент теплоотдачи. 2. Для указанных целитов удельная массовая теплоемкость 400 Дж/(кг^К), степень черноты поверхности слоя 0,3.0,4.
Для определения емкостных характеристик сорбентов используют графические зависимости удельной сорбционной емкости от давления при постоянной температуре сорбента (изотермы адсорбции).
На рис. 11, а приведены изотермы адсорбции водорода на используемых в вакуумной технике сорбентах при Т = 20,4 К, При этой температуре удельная сорбционная емкость сорбентов велика (и > 103 Па^мЗ/ кг) даже при очень низких давлениях (р < 10-4 Па). Многие промышленные системы не требуют таких низких давлений, поэтому в них допустимы более высокие температуры. На рис. 11, б приведены изотермы
Таблица 22
Газ В, м3/кг, для Еад, Дж/моль
CaEH-4B СКУТ-4; КУТ-2
N2 3,8х10"3 5,0х10-3 12560
Ö2 2,3 х10-2 — 9630
Ar 2,3 х10-3 1,4х10-2 9630
H2 1,7х10-1 2,5х10-1 5000
CH4 1,6х10-5 2,0х10-5 16300
He — 1,0х10-1 585
28
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ismi
Рис. 11. Изотермы адсорбции водорода при Т = 20,4 К (а) и азота при Т = 77 К (б) для сорбентов: 1 — активный
уголь СКТ-4; 2 — угольная ткань КУТ-2; 3 — цеолит СаЕН-4В
Уравнение Дубинина — Радушкевича, удовлетворительно описывающее адсорбцию на цеолитах и углеродных сорбентах при 0 < 015, имеет вид
w0
и = —exp a
Т 2 Í р2
lg
Рн
2
p
где и0 — удельный объем адсорбционного пространства (табл. 23); а — молярный объем пара в адсорбированной фазе, принимаемый равным молярному объему жидкости; А — постоянная пористой структуры (см. табл. 23); р — давление насыщенного пара при температуре Тад, в — коэффициент аффинности, зависящий от рода газа (для азота в = 1,0; для кислорода в = 0,90, для аргона в = 0,87).
Таблица 23
Адсорбент ю0х104, м3/кг Ах106, К-2
Цеолит 2,4 2,9
Уголь 4,0 0,6
Угольная ткань КУТ-2 3,0 0,4
При выборе сорбента кроме емкостных характеристик следует учитывать требования техники безопасности. Так, углеродные сорбенты нежелательно использовать в системах, где они могут контактировать с жидким кислородом (это может привести к взрыву), однако применение углеродных адсорбентов в совокупности с пористыми экранами в насосах для откачки сред с большой долей кислорода взрывобезопасно; при откачке агрессивных сред необходимо применять
специальные кислотостойкие сорбенты.
После выбора сорбента по описанной методике находят его удельную сорбционную емкость с учетом коэффициента регенерации вр и определяют поглотительную способность насоса при рабочем давлении.
Предельное остаточное давление адсорбционного насоса
Ро
VH + РрMадBexp[Еад /(RT)] Тад VH +РРMадBexp[£ад /(ЯТад)]' То
(29)
где р — начальное давление в объеме насоса перед пуском; Ун — внутренний объем насоса; Мад — масса сорбента в насосе; Т0 — температура газа в объеме насоса перед пуском, как правило, равная температуре окружающей среды.
Быстроту откачки адсорбционной полости в зависимости от ее геометрических характеристик и коэффициента прилипания кП удобно определять графически (рис. 12). Для определения быстроты откачки £вх на входе в адсорбционную полость необходимо знать коэффициент прилипания кП, отношение к / . длины адсорбционной полости к ширине и проводимость Ц/вх входного сечения адсорбционной полости.
Коэффициент прилипания характеризуется отношением действительной быстроты действия адсорбционной кассеты к теоретической:
кП = 8д /Бт.
(30).
Действительная быстрота действия адсорбционной кассеты
£ = S U3 /(S + U3), (31)
д ад Э V ад 3" v '
I5JA
экология» 14 (82) 2008
29
где Sад — быстрота откачки адсорбционного слоя за экраном; UЭ = иЭ^Э — проводимость экрана (иЭ — удельная проводимость экрана; FЭ — площадь поверхности экрана).
Рис. 12. Зависимость относительной быстроты откачки односторонней адсорбционной полости от ее геометрического фактора
Удельная проводимость пористых экранов, м3/(м2-с),
и^ = 21,56—П L —
(32)
где dч — средний размер частиц исходного порошка, из которого изготовлен экран (см. табл. 19), м; dЭ, — толщина экрана, м; ПЭ — пористость материала экрана (см. табл. 13.19); ТГ — температура газа, поступающего к экрану (обычно принимают равной температуре корпуса насоса), К; М — молекулярная масса откачиваемого газа. Для шевронных экранов ЦЭ = (0,20.0,25) £т.
Быстрота откачки адсорбционного слоя
S, =
АД В exp[ g„ /(RTm)] м kR2 "
(33)
где Dэф — эффективный коэффициент диффузии (для азота и кислорода Dэф - 2-10-12 м2/с; для аргона Dэф -2-10-12 м2/с); В — см. табл. 22; кз — коэффициент формы зерна адсорбента (для плоских, цилиндрических и сферических зерен соответственно кз = 1/3; 1/8 и 1/15); Я — характерный размер зерна.
Теоретическая быстрота действия
ST = 36,4 F^ Tr / M
(34)
Проводимость входного сечения адсорбционной по-
лости вычисляют по известным уравнениям вакуумной техники, а начальную быстроту действия насоса —по формуле
S0 =S UJ(S + UJ,
0 вх П V вх П-"
(35),
где иП — проводимость входного патрубка насоса.
Найденная таким образом быстрота действия насоса соответствует малой степени заполнения сорбента газом (9-0).
Поглотительная способность насоса определяется предельным объемом газа, который может поглотить насос при заданном равновесном давлении над адсорбентом:
L = M и,
(36)
где Мад — масса сорбента в насосе, кг и — удельная емкость сорбента при заданном режиме подготовки, Па х м'/кг.
Масса адсорбента
М = V,
ад p'
(37)
где V — объем адсорбционной кассеты, м3; р — насыпная плотность сорбента, кг/м3.
Адсорбционные насосы относятся к устройствам периодического действия; по мере насыщения сорбента давление в вакуумной системе возрастает, а быстрота действия уменьшается. Зависимость быстроты действия от степени заполнения 0 можно описать полуэмпирической зависимостью
S = S0 ехр (-*©),
(38)
где — начальная быстрота действия насоса при 0
- 0; £н — постоянная насыщения (к = 5...10); 0 = ш1Ь
— степень насыщения адсорбента газом, показывающая, какая часть поглотительной способности насоса израсходована (ш — количество газа, поглощенного сорбентом, Па-м3).
Постоянная насыщения кн зависит от диаметра пор адсорбента: с его увеличением кн уменьшается. Так, для цеолитов типа Е и А постоянная кн - 10, для цеолитов типа Х — кн - 7, для углеродных сорбентов — кн - 5.
Время, в течение которого адсорбционный насос обеспечивает давление не выше требуемого (р <р ):
=жln( So pp/ Q)
(39)
где рр — рабочее давление, Па; Q — поток газа, Па м3/с.
Если время ^ больше или равно продолжительности рабочего цикла установки, то достаточно одного насоса; в противном случае требуются дополнительные
30
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
тлт
насосы, которые в зависимости от условий работы установки можно подключать параллельно или последовательно.
Пример расчета наливного насоса (рис. 13).
Исходные данные. Размеры насоса: диаметр сосуда для криоагента Бс = 0,08 м; диаметр пористого теплоизоляционного экрана Б3 = 0,12 м; диаметр корпуса насоса В2 = 0,2 м; диаметр входного патрубка БП = 0,1 м; высота корпуса насоса к2 = 0,4 м; высота адсорбционной кассеты Ье = 0,3 м; число тепловых мостов п = 3; длина и толщина теплового моста I = 0,02 м и йм= 0,003 м: толщина пористого экрана йЭ = 0,003 м.
Элементы конструкции имеют следующие теплофи-зические характеристики: степень черноты внутренней поверхности корпуса е2 = 0.7, пористого экрана еЭ = 0,3. Экран изготовлен из порошка фракции № 3 со средним размером частиц й4 = 0,4-103 м, пористостью ПЭ = 0,38 и теплопроводностью материала порошка X = 320 Вт/(м-К); теплопроводность материала моста = 400 Вт/(м-К).
Сорбент — цеолит СаЕН-4В с насыпной плотностью р = 650 кг/м3; зерна сферической формы диаметром 1,5 мм. Криоагент — жидкий азот (Ткр = 78 К). Температура корпуса (окружающей среды) Т2, Т0 = 300 К. Начальное давление р0 = 1 Па. Условия подготовки адсорбента соответствуют коэффициенту регенерации вр = 0,25. Постоянная насыщения кн = 10.
Определить поглотительную способность насоса при рабочем давлении рр = 10-2 Па, быстроту действия насоса и время непрерывной работы при потоке газа Q = 5-10-4 Па-м3/с. Натекающий газ — азот.
Решение.
Внутренний объем насоса V = пПЖ - 0,25я£ 2к = 0,25-3,14-0,22-0,4 -
н 2 2 7 ээ 7 7 7 7
- 0,25-3,14-0,122-0,3 = 9,2-10-3 м3.
Объем сорбента в адсорбционной кассете
V =0,25п фэ2 - £>с2) кс = 0,25-3,14 (0,122 - 0,082)- 0,3= э с = 1,9-10-3 м3.
Масса сорбента [см. формулу (33)]
М = 1,9-10-3-650 = 1,23 кг.
Приведенная степень черноты системы корпус — экран [см. формулу (33)]
4 = [ -1+D (-1 _ 1)] =_L+0I2(_L _,)= о,28
пр Sg D2 S2 0,3 0,2 0,7
Удельный тепловой поток на экран [см. формулу (26)]
Ф =е а(Т4-Т4).
уд пр ^ 2 э '
Так как температура экрана близка температуре криоагента и, следовательно, значительно ниже температуры корпуса, значением ТЭ4 можно пренебречь ввиду его малости.
Тогда
Ф = е оТ4 = 0,28-5,67-10-8-3004 = 128,6 Вт/м2.
уд пр 2
Теплопроводность материала экрана [см. (25)]
1 — 0 38
^э = 0,14 • 320--— = 20 Вт/(м-к).
э 1 + 0,38 V 7
Средняя температура экрана [см. (24), где П = пЮЭ]
— „„ 128,6 • 3,14 • 0,12 • 0,02 128,6(3,14 • 0,12)2
Тэ = 78 +-------— +--'-!- = 87 К.
3 3 • 400 • 0,003 12 • 32 • 20 • 0,003
Средняя температура сорбента [см. формулу (23)]
Т ад = 78 + (87 - 78)[-
0,122
1
-] = 83 К.
Рис. 13. Расчетная схема адсорбционного насоса
"0,122 - 0,082 21п(0,12/0,08)"
Удельная сорбционная емкость сорбента при рабочем давлении [см. (28), табл. 22] при учете режима регенерации
и = 0,25-3,8-10-Ч0-2ехр[12560/(8,314-83)] = 1004 Па-м3/кг. Поглотительная способность [см. (36) ] Ь = 1,23 -1,004 = 1,24 -103 Па-м3. Предельное остаточное давление [см. (29)]
_ 1 9,2 • 10-3+0,25 -1,23 • 3,8 • 10-3 х ехр[12560/(8,314 • 300)] ^ Рпр ~ 9,2 • 103 + 0,25 • 1,23 • 3,8 • 103 х ехр[12560/(8,314 • 83)]Х 83
х -=5,5-10-7 Па.
300
Быстрота откачки адсорбционного слоя за экраном [см. (33)]
„ 2-10"12'0,25 • 3,8-10"3 хехр[12560/(8,314• 83)]. „ ,
=-п-1,23 = 1,65 м3/с.
^ (1/15)(1,5 -10 ~3)2
Проводимость пористого экрана [см. (31) и (32)] Начальная быстрота действия насоса [см. (35)]
3, = 0,12-0,94/(0,12+0,94) = 0,11 м3/с.
тт - 91 -10 •3,14 • °,12• 0,3 0 3о2 300 _ иэ - 91,56 0 003 х0,38 \l~90 = 0,16 м3/с. Время работы насоса при заданных давлении и
потоке газа [см. (39)]
Действительная быстрота откачки адсорбционной кассеты [см. 31)] 1 94 ^3
, . = -—--1п[0,11-10"2 /(5 -10-4)] = 1,96-105 С.
= 1'65•0,'6 = 0,146 м3/с. Р540 10 ( 2
д (1,65 + 0,16)
Теоретическая быстрота действия [см. (34), где ^ Технические характеристики крионасосов
=
Основные технические характеристики конден-с -з/тл'зчл/люл'} Ьпп /оо о 3/ сационных насосов типа ГСВ приведены в табл. 24, Лт = 36,4 •3,14 •0,12 • 0,^300/28 = 13,5 м /с насосов на базе холодильных газовых машин — в
табл.25, адсорбционных цеолитовых насосов и агре-Коэффициент прилипания [см. (30)] гатов в табл.26, адсорбционных насосов с пористыми
Проводимость входного сечения адсорбционной экранами — в табл. 27.
2-D 2
2 Э
полости [см. (17), где F = 0,25(D22-D Э2)]
ивх = 36,4 • 0,25л(Д2 - Т2/ М = 36,4 • 0,25 • 3,14(0,22 - 0,122 )л/300/28 = 2,39 м3/с.
Быстроту откачки на входе в адсорбционную полость определим графически. При кП = 1,08-10-2 и к/А = = 2 кС ф2 — DЭ) = 2-0,3/(0,2 — 0,12) = 7,5 по графику (см. рис. 12) найдем 8 / и = 0,05, откуда £ = 0,05и
4 ^ ' вх вх 7 7 ^ вх 7 вх
= 0,05-2,39 = 0,12 м3/с.
Проводимость входного патрубка (отверстия)
ип = 36,4• 0,25яЯ£>/Т2/М = 36,4• 0,25х3,14• 0,12л/300/28 = 0,94 м3/с.
Таблица 24
Значение параметра для
Параметр насоса
ГСВ-250 ГСВ-4000
Быстрота действия, дм3/с 250 4000
Предельное остаточное давление, Па: без прогрева 10-8 10-10
с прогревом 10-10 —
Расход, дм3/ч: жидкого гелия 8х10-3 1,2х10-2
жидкого азота 0,2 1,0
Емкость сосуда, дм3: 7 23
гелиевого
азотного 7 30
32
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ШЛШ
Таблица 25
Параметр Значение параметра для насоса
НВК-1А-Р1 НВК-06-Р1 НВК-1К-Р1 НВК-1А-Р1
В , мм У 250 160 250 250
Холодопроизводительность при 3 3
Т = 20К, Вт
Быстрота действия по воздуху, дм3/с 1000.3000 600 1000.3000 1000
Предельное остаточное давление (в обезгаженной системе), Па 5 х 10-7 5 х 10-7 5 х 10-6 106
Давление пуска, Па 10 1 5х10-1 1,5х10-1
Поглотительная способность по 50х105 104
воздуху, Пахдм3
Максимальный газовый поток (в 500 100
течение 1 ч), Пахдм3/с
Время охлаждения до Т = 20 К, мин 60 110 60 50
Максимальная температура прогрева криооткачки, К 353 343 353 —
Мощность, кВт 6,0 1,5 6,0 2,5
Время непрерывной работы (без отогрева панели), ч 200 200 — —
Габаритные размеры, мм: Блока криооткачки 580x455x410 — 580x455x410 —
Компрессорной установки 840x1090x670 — 840x1090x670 —
Длина трубопровода и кабелей,
соединяющих блок криооткачки с 30 — 30 —
компрессорной установкой, м
Периодичность технического обслуживания, ч 3000 — 3000 —
Ресурс, ч 15000 10000 15000 5000
Масса, кг: Блока криооткачки 40 13 40 120
Компрессорной усановки 270 — 270 —
Таблица 26
Параметр Значение параметра для насоса (ЦВН) и агрегата (ЦВА)
ЦВН-1,5-3 ЦВН-0,3-2 ЦВА-1,5-3 ЦВА-0,3-1
Предельное остаточное давление, Па Объем откачиваемого сосуда, м3 2 0,1 6 0,03 2х10-2 0,1 2х10-2 0,03
Время откачки (без учета времени 1,0 1,5 2,0 1,0
предварительного охлаждения), ч
Расход жидкого азота, дм3/ч 0,5 0,35 0,75 0,085
Масса цеолита, кг 1,5 0,3 3,0 0,6
Продолжительность регенерации 3,0 2,0 3,0 2,0
при р = 105 Па, ч Мощность нагревателя, Вт 350 130 350 130
Таблица 27
Параметр Значение параметра для насоса
КС4205 КС4023 КС4107
Быстрота действия по азоту, м3/с 80 0,020 0,025
Масса сорбента, кг:
СаЕН-4В 675 0,480 0,680
СКТ-4 — 0,330 0,470
Поглотительная способность по азоту, 1,1 -10 5 30 140
Пахм3, при давлении Па: _ 12 50
10-3 10-1 2,0 -104 8 -103 6,6 -103 3,4 -103 2,8 -103
Параметр Значение параметра для насоса Насос-секция
НКС-100 НКС-100В ВАН-160
Быстрота действия по азоту, м3/с 0,100 0,020 0,025 0,070
Масса сорбента, кг:
СаЕН-4В 3,900 3,600 — 3,500
СКТ-4 2,700 2,500 0,600 —
Поглотительная
способность по азоту, Пахм3, при давлении Па: 10-3 3,12 -103 3 -103 - 5 -102
8,1 -102 7,8-102 6 -102 -
10-1 2,34 -104 1,89 -104 2,20 -104 1,80 -104 4,8 -103 2-104
Примечания: 1, Предельное остаточное давление для всех указанных насосов 10-4 Па, диапазон рабочих давлений для насосов НКС-100В и ВАН-160 р = 10 .., 10-4 Па, для остальных — р = 105 ... 510-4 Па. 2. Поглотительная способность дана для сорбентов СаЕН-4В (числитель) и СКТ-4 (знаменатель).
34
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ismi
