CC BY
11ОПЫТ СОЗДАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КРИОГЕННО-ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЪЕКТ ИСПЫТАНИЙ ТЕПЛОВЫХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПОТОКОВ
В.И. Куприянов
Балашиха - 3, Московская область, 143903, ул. Октябрьская, д. 10, кв. 119
Введение
Крупногабаритные криогенно-вакуумные установки для моделирования комбинированного воздействия тепловых и молекулярных потоков на испытуемый объект являются важнейшей частью комплекса технических средств для экспериментальных исследований и реализации производственно-технологических процессов в ряде специфических областей современной науки и техники. Условия проведения экспериментов и испытаний в установках объемом от 10 до 10.000 м3 характеризуются высокими степенями разрежения (10-7 /10-12 Па), наличием направленных потоков частиц (моноэнергетические или «тепловы» пучки) и излучения плотностью от 0,1 до 6 квт/м2 в инфракрасном, видимом и (или) ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Окружающее пространство практически полностью поглощает частицы и кванты излучения с объекта и по своим свойствам близко к абсолютно черному телу с температурой около 4 К.
Для реализации описанных условий в КВУ необходимо создавать крупногабаритные вакуум-плотные корпуса достаточно сложной формы (пересечение геометрически разнорядных тонкостенных оболочек близкой кривизны под произвольными углами) с вакуумными разъемами больших диаметров, способные выдержать воздействие внешнего избыточного давления величиной 0,1 МПа в условиях значительной неравномерности температурного поля на поверхности корпуса вследствие возможного аварийного пролива криопродукта. КВУ необходимо оснастить мощной системой высоковакуумной откачки с быстротой действия 105 /107 л/с, позволяющей создавать в экспериментальном объеме контролируемую остаточную атмосферу. Моделирование низкотемпературного фона окружающего пространства при наличии мощных источников
излучения в камере предопределяет необходимость создания соответствующей системы теплосъема на криогенном уровне. Составными частями КВУ являются также системы управления и контроля, система разгерметизации, система загрузки и т. п.
Создание крупных КВУ представляет собой сложную научно-техническую проблему, которая требует для своего решения значительного объема и глубины научных исследований, тщательной конструкторской и технологической проработки проекта и соответствующей производственной базы. Комплексное сочетание перечисленных условий оказывается эффективным только в рамках НПО. Ниже обсудим результаты разработки и изготовления около 80 КВУ различного назначения, а также НИР и ОКР в обеспечение возможности создания высокоэффективных КВУ.
Корпус камеры
В практике создания КВУ встречаются различные варианты компоновки корпуса: горизонтальная цилиндрическая оболочка, вертикальная цилиндрическая оболочка, сочленение цилиндрических оболочек одного или разных диаметров (угловое и Т-образное), сочленение сферы с цилиндрической оболочкой, сочленение цилиндрической оболочки с камерой прямоугольной формы. Вопросы обеспечения конструктивной прочности и устойчивости корпуса на первом этапе решались, в основном, на основе безмоментного приближения с учетом локальных краевых эффектов в зонах сопряжения разнородных оболочек по эмпирическим соотношениям.
Ограниченность доступного экспериментального материала и очевидные трудности переноса результатов эксперимента на разнообразные промышленные конструкции влекло за собой технически неоправданные
90
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
¡SJUBII
запасы по прочности и устойчивости, но не всегда гарантировало надежность расчета корпуса. В конце 60-х - начале 70-х годов усилиями Б.А.Куранова и его сотрудников при проектировании корпусов КВУ были внедрены методы расчета на прочность соосно-го сопряжения разнородных тонкостенных оболочек вращения (линейные осесимметричные задачи теории тонких оболочек), что позволило достаточно уверенно рассчитывать прочность разнообразных конструкций промышленных изделий. Переход на более высокий уровень описания поведения оболочки позволил более достоверно оценивать устойчивость конструкции под внешним давлением. В результате оказалось возможным снизить металлоемкость поперечного подкрепления корпуса ТВУ-400 и ВУ-600 в 1,5 раза. С середины 70-х годов осуществлен комплекс теоретических и экспериментальных работ в обоснование работоспособности универсальной программы расчета осесим-метричных конструкций на основе метода конечных элементов (МКЭ), которая позволяет выполнить расчет корпуса КВУ при произвольном силовом и о се симметричном термическом нагружении.
Проблема расчета сопряжения двух цилиндрических оболочек под произвольным углом еще ждет своего решения, но проведенное экспериментальное исследование модели корпуса ТВУ-400 позволило снизить металлоемкость подкрепления узла сопряжения оболочек в 1,2 раза по сравнению с первоначальным конструктивным исполнением. При этом существенно снижается и трудоемкость изготовления корпуса.
В последние годы разработаны хорошо оправдавшие себя на практике методы расчета подкрепления локальных вырезов в корпусе (патрубки, ниши, люки, двери и т. п.), а также подкреплений мест локального нагружения оболочки произвольной силовой нагрузкой. Последнее важно для конструктивного оформления опор камеры и размещения на корпусе элементов системы откачки и других вспомогательных систем.
В связи с тем, что в современных крупногабаритных вакуумных установках в процессе эксплуатации находятся значительные запасы криопродукта, не исключена возможность аварийного пролива криопродукта на стенку корпуса. В этом случае в конструкции корпуса возникнут значительные термические напряжения, которые могут сказаться и на прочности и на устойчивости корпуса. Для оценки возможных последствий описываемого явления необходимо знать нестационарное распределение температуры по поверхности корпуса. С середины 70-х годов проводились планомерные теоретические и экспериментальные исследования по исследованию температурных полей в элементах конструкций корпуса КВУ А.М.Макаровым, С.Ф.Серовым, Е.М.Фатеевым и др. разработаны аналитические и численные методы расчета нестационарного температурного поля в геометрически разнородных тонкостенных оболочках вращения для одно- и многосвязного мери-
диального сечения при условии идеального теплового контакта между сопрягаемыми оболочками и неидеального контакта или прерывистого сопряжения оболочек (двумерные постановки) при мгновенном воздействии криопродукта на стенку или медленном подъеме зеркала жидкости. Оценка напряженного состояния корпуса камеры при термическом воздействии криопродукта показала, что надежность конструкции при аварийном проливе криопродукта может быть обеспечена только с помощью дополнительных конструктивно-технологических мер. Несколько вариантов защиты корпуса камеры от аварийного пролива разработано на уровне схемных решений, работы в этом направлении целесообразно продолжать.
Сегодняшнее состояние дел по конструктивной прочности таково, что ограничений по габаритам, по форме камеры, по локальным особенностям корпуса можно не опасаться, однако в дальнейших разработках целесообразно придерживаться правила: корпус должен иметь наиболее совершенную геометрическую форму, в максимальной степени использовать так называемый
оболочечный эффект. В качестве примера проведем сравнение сферы с равновеликой по объему цилиндрической оболочкой того же радиуса. Даже не принимая во внимание повышение уровня напряжений в зоне сопряжения обечайка-донышко, видим, что осевые напряжения в цилиндрической оболочке той же толщины в 2 раза выше, чем в сферической оболочке. Налицо альтернатива: либо укреплять цилиндрическую оболочку, либо принять к разработке сферическую форму камеры. Значительное снижение металлоемкости изделия можно ожидать от последовательного внедрения плавных переходов от одной оболочки к другой и оптимизации параметров конструкции «оболочка - подкрепляющий набор», причем последнее необходимо связать с технологией изготовления корпуса.
Вопросы технологии создания корпусов крупных камер
Одним из важнейших вопросов проектирования камеры КВУ является выбор материала оболочки. Наличие в объеме камеры криогенного продукта и возможность попадания его на поверхность корпуса в результате аварийной ситуации предопределяют использование нержавеющих сталей, сохраняющих свои свойства при криогенных температурах. В основном корпуса камер изготовлялись из высоконикелевой стали 12Х18Н10Т, высокие пластические свойства которой позволяли создавать работоспособные конструкции элементов, расчетная проверка напряженного состояния которых была затруднена. Выявленный в результате теоретических и экспериментальных исследований уровень локальных величин напряжений в узлах сопряжения оболочек привел к необходимости поиска более прочных сталей для изготовления оболочки корпуса.
Немаловажную роль играли при этом и соображения экономического характера по сокращению расхода никелесодержащих сталей. Специально организованные научные исследования и опытно-технологические работы на предприятиях Минчермета и института АН СССР имели результатом появление новых марок нержавеющих сталей типа 03Х13АГ19 и 07Х13Н4АГ20, которые использованы в ряде конструкций, что позволило существенно снизить металлоемкость оболочки корпуса.
Крупногабаритные корпуса КВУ необходимо разбивать на транспортируемые элементы из условия доставки их к месту монтажа железнодорожным, автомобильным или водным транспортом. Такая разбивка производится из условия выполнения максимально возможного объема сварочных работ в заводских условиях. При этом, естественно, принимается во внимание технология доукрупнения первичных монтажных элементов на месте сборки и сборка укрупненных элементов в единое целое. За последние десятилетия в отрасли создано специальное прокатное оборудование, позволяющее, в частности, получать элементы сферы диаметром до 27 м с высокой точностью. В НПО Криогенмаш организована опытная отработка конструкции и технологии изготовления с использованием полномасштабных элементов на специальных сборочных стендах. Использование сборочных стендов с тщательным контролем геометрии сопрягаемых поверхностей в процессе производства позволило перенести контрольную сборку непосредственно на монтаж установки.
В 70е-80е годы большое внимание уделялось вопросам сварки крупногабаритных оболочек из нержавеющей стали толщиной до 35/40мм, а также технологии сварки высоколегированных сталей с углеродистыми конструкционными сталями. В содружестве с кол -лективом ИЭС им. академика Патона АН УССР были отработаны технологические приемы и оборудование для автоматической и полуавтоматической сварки в различных пространственных положениях элементов оболочек и подкрепляющего набора толщиной до 60 мм, при этом отрабатывались технологические приемы, обеспечивающие изготовление сварных конструкций сложной формы с минимальными сварочными деформациями, состав флюсов и присадочных материалов.
Опыт монтажа крупных КВУ убеждает в том, что при сложившейся технологии изготовления корпуса камеры не удается избежать локальных неправильностей геометрии оболочки. Поскольку ужесточение технологии изготовления с необходимостью приведет к замедлению и удорожанию производства, по-видимому, необходимо в процессе проектирования более тщательно решать вопросы устойчивости конструкции с учетом начальной погиби.
Проектирование и изготовление вакуумно-плотных разъемов диаметром 10/15 м, в которых невозможна
механическая обработка посадочных мест под резиновые уплотнители, представляло собой сложную задачу. Удачным решением оказалась конструкция уплотнения типа «гибкое крыло» с регулируемым начальным под-жатием уплотняющих элементов.
Собранные на месте монтажа крупногабаритные корпуса камер проходят обязательные испытания на устойчивость от внешнего атмосферного давления с фиксацией напряженного состояния в наиболее опасных зонах и на вакуумную плотность. Испытания представляют собой сложный комплекс мероприятий, реализация которого потребовала разработок уникальных тензостанций на несколько тысяч точек замера с большой скоростью опроса и непосредственной обработкой результатов измерений на ЭВМ в процессе испытаний; разработок методов и средств измерения деформаций корпуса в процессе вакуумирования с помощью оптических схем; разработок специальных методов и приборов измерения вакуума в характерных точках камеры относительно объекта испытаний; создания методик и оборудования проверки локальной вакуумной герметичности корпуса, что привело к значительному сокращению времени поиска возможных течей, так как при этом исключается необходимость многократной и продолжительной откачки всего корпуса.
Внутренняя поверхность корпуса камеры должна иметь высокую отражающую способность. Это объясняется необходимостью уменьшения тепловой нагрузки на систему криообеспечения, необходимостью иметь положительные значения температуры на поверхности корпуса для исключения явления запотевания; отражающая способность непосредственно связана с высотой микронеровностей, а более гладкая поверхность имеет меньшие величины плотности потока газовыделения. Обычно внутренние поверхности высоковакуумных камер полируют, что довольно затруднительно, если поверхность камеры составляет величину 102 - 5-103 м2 .В НПО Криогенмаш предложен способ и отработана технология наклейки металлизированной пленки непосредственно на необработанную поверхность корпуса, что значительно снижает трудоемкость создания требуемой чистоты поверхности.
Можно констатировать, что сегодня в НПО Крио-генмаш и на предприятиях-смежниках сложился комплекс технологических приемов и имеется специальное оборудование для изготовления крупногабаритных корпусов КВУ, позволяющее создавать камеры различной формы объемом от 100 до 50.000 м3. Несмотря на то, что в области технологии изготовления корпусов КВУ сделано достаточно много, перспективы совершенствования технологических процессов изготовления корпусов камер КВУ еще очень широки.
Функциональные системы КВУ
Системы откачки экспериментального объема
92
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ismi
Функционирование КВУ невозможно без решения комплекса сложных задач по созданию вакуумных систем с высокопроизводительными средствами откачки во всем диапазоне рабочих давлений и заданного состава откачиваемой атмосферы. Для вакуумных систем КВУ характерно наличие мощной форвакуум-ной системы, позволяющей удалить основную массу газа при интенсивном газовыделении поверхностей испытуемого объекта и поверхностей внутрикамерного оборудования в начальный период откачки, высокопроизводительной системы высоковакуумной откачки с быстротой действия 105 /107 л/с, при этом должна быть исключена или по меньшей мере сведена к минимуму возможность попадания в экспериментальный объем паров и продуктов распада рабочих тел вакуумных насосов (масел, титана, адсорбентов и пр.). Дополнительные требования к системе откачки заключаются в простоте и надежности оборудования, уменьшении ступеней откачки, возможности дистанционного управления системой, сокращении номенклатуры применяемого оборудования.
Очевидный путь ускорения проектирования и изготовления КВУ - использование освоенных промышленностью средств откачки - далеко не всегда реализуем. Простой пример: камера объемом 10 тыс. м3 имеет боковую поверхность около 2 тыс. м2 , если величина газовой нагрузки составляет 10 м3 -Па-с-1 , а требуемое разрежение10-3 Па, то суммарная быстрота действия системы должна быть равна 104 м3 -с-1 или 107 л-с-1 . Самый высокопроизводительный агрегат на базе диффузионного насоса Н-200Т имеет быстроту действия 105 л-с-1 , таких агрегатов понадобится 100 шт., камера будет иметь 100 отверстий диаметром 2,5 м для подсоединения этих агрегатов, причем на каждый агрегат будет приходиться около 20 м боковой поверхности камеры. Такое решение технически неприемлемо, а направление бесперспективно: нагрузка на вакуумную систему растет пропорционально объему (больше объем -больше объект испытаний) , объем пропорционален кубу характерного размера, а поверхность - квадрату, значит, трудности размещения высоковакуумных насосов на наружной поверхности камеры с увеличением ее объема могут только возрастать. Здесь имеется только один выход - применение встроенных в камеру насосов поверхностью действия, например, конденсационных имеются значительные трудности и в выборе варианта форвакуумной откачки. Требованию высокой производительности единичного агрегата и «стерильности» средств откачки в диапазоне давлений всасывания от 105 до 101 Па удовлетворяют эжекторные вакуумные насосы. Однако, из-за больших энергозатрат и громоздкости паросилового комплекса агрегатов типа НЭВ 100x0,5 их использование связано с большим объемом капитального строительства. Схожими недостатками обладают и эксгаустеры типа ТКЭ. Из механических вакуумных насосов наиболее надежны жидкостно-
кольцевые машины, срок эксплуатации которых до капитального ремонта составляет 50.000 часов. Существенным их недостатком является высокое остаточное давление (5-103 /7-103 Па), для достижения давления 10 Па требуется дополнительная группа насосов, например НВЗ-500. Использование насосов золотникового типа НВЗ-500 (диапазон всасы-вания 105 до 10 Па), вследствие хорошего уплотнения зазоров маслом и малого объема мертвого пространства они имеют постоянную быстроту действия, на режимах откачки до 100 Па позволяет построить условно «безмасляную» систему откачки на однотипных серийных насосах, что обеспечивает высокую надежность форвакуумной системы и возможность дистанционного управления по установленной программе. К недостаткам форва-куумных систем на базе механических насосов относятся малая единичная производительность агрегата (для камеры объемом 10 тыс.м их число достигает 30 единиц), значительный выброс масла в атмосферу при давлениях всасывания свыше 2-104 Па, шум и вибрация. Однако, технико-экономическое сравнение вариантов форвакуумной откачки говорит в пользу применения механических насосов.
В промежуточном режиме откачки (10/10-1 Па) использование бустерных или двухроторных насосов нецелесообразно из-за необходимости применения большого количества единиц оборудования без какой-либо гарантии от попадания паров масла в экспериментальный объем. Время работы системы в этом диапазоне давлений составляет, как правило, доли процента от длительности цикла испытаний, а потому здесь противоестественно применение громоздкой вакуумной системы, сложной в эксплуатации и управлении. Эффективно использование в указанном диапазоне давлений мощного поглощающего криоустройства типа КС-4205, специально спроектированного для этих целей. Перспектива недалекого будущего - полный переход на криогенные методы откачки в форваку-умном и промежуточном режиме. Высоковакуумная откачка крупных КВУ при больших газовых нагрузках базируется на встроенных криогенных насосах с температурой панели 15/20 К, каждый квадратный метр поверхности такой панели имеет быстроту действия около 30 м3-с-1, насос площадью 103 м2 (т.е. половина боковой поверхности камеры объемом 10 тыс.м3 ) будет иметь быстроту действия 3-104 м3-с-1 или 3-107 л-с-1 . Откачка неконденсирующихся при температуре 20 К газов (№, Н2 , Не) должна производиться высоковакуумными насосами с быстротой действия 40 тыс. л-с-1 по водороду, принцип действия которых основан на явлении криосорбции, и турбомолекуляр-ными насосами ТМН-1000. Такое сочетание средств откачки всем поставленным требованиям: высокая производительность, низкое остаточное давление, возможность откачки всего спектра газов, чистота остаточной атмосферы. При относительно небольших
газовых нагрузках высоковакуумная система может базироваться на выносных конденсационных насосах (40 тыс. л-с-1 по воздуху), выносных криосорбционных насосах (40 тыс. л-с-1 по водороду) для откачки неконденсирующихся газов и турбомолекулярных насосах ТМН-1000. В тех случаях, когда вакуумная установка не имеет системы криообеспечения, оказывается целесообразным использование электродуговых вакуумных агрегатов с испарением титана ЭДВА 900/25000, производительностью 25 тыс. л-с-1.
Упомянутые здесь криоконденсационный, крио-сорбционный и электродуговой агрегат большой производительности впервые изготовлены и внедрены в установках, создаваемых в НПО Криогенмаш.
Анализируя типовые схемы откачки в области высокого вакуума, в промежуточной области и области форвакуума, принятые в НПО Криогенмаш при создании крупных КВУ, легко обратить внимание на то, что основная часть вакуумного оборудования является уникальным. Если при этом еще учесть, что работает оно в специфических условиях откачки КВУ, то становится понятным объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ НПО Криогенмаш в области создания средств криогенно-вакуумной откачки.
Исследования проводились по нескольким направлениям как в теоретическом, так и экспериментальном плане. Основные усилия были сосредоточены на развитие конденсационного и сорбпионного методов откачки.
В период 1971-80 г.г. А.М.Макаровым последовательно развивались различные направления технических приложений подхода М.Кнудсена к описанию течений разреженного газа. Ему удалось сформулировать основные уравнения подхода М. Кнудсена с учетом эффектов частичного поглощения молекул откачиваемого газа на сорбирующей твердой поверхности и обосновать выбор граничных условий при составлении математических моделей процесса поглощения разреженного газа в различных криосорбционных устройствах. Важной ступенью этих исследований явилось установление идентичности математической модели подхода М.Кнудсена и математической модели случайного блуждания в пустом канале одной единственной молекулы газа (теория Фоккера-Планка-Кол -могорова), что позволяет относиться к полученным результатам как вполне строгим. Заметим, что многие практические результаты подхода М.Кнудсена могли бы быть получены либо с помощью метода статистического моделирования (Монте-Карло), либо с помощью интегральных уравнений балансов плотностей потоков частиц, покидающих элементарные участки боковой поверхности канала (метод П.Клаузинга). Однако, простота и результативность развитого подхода (отклонение рассчитываемых величин от известных теоретических и (или) экспериментальных значений не превышало 10/15 %) обуславливают перспективность
его использования при конструктивных расчетах кри-огенно-вакуумного оборудования.
Среди приложений развиваемого подхода важнейшее место занимает моделирование процессов течения разреженного газа в протяженных вакуумных полостях с частичным поглощением откачиваемых молекул на боковой поверхности полости (А.М.Макаров, Т.А.Панкратова, Л.А.Лунева, Н.Н.Тарасов и др.). Для целого ряда полостей с поглощающими стенками (пи-линдрическая полость, прямоугольная полость, плоская щель, коаксиальная полость и др.) удалось вывести аналитические зависимости быстроты действия полости от ее геометрических характеристик и заданной локальной вероятности поглощения молекулы на твердой стенке. Последнее легло в основу проектирования выносных конденсационных и криосорбционных насосов. Учет ослабления сорбирующих свойств поверхности по мере увеличения степени заполнения ее (гипотеза Ленгмюра о конечном числе свободных посадочных мест) позволил связать кинетику поглощения газа на активной поверхности с величиной коэффициента захвата ячейки насоса, в результате оказалось возможным рассчитать ресурс работы криосорбционного или криоконденсационного устройства при малых по толщине слоях поглощенного газа. Эта модель оказалась эффективной и для расчета продолжительности выдержки между последовательными импульсами напыления геттера на рабочую поверхность титанового испарительного насоса, работающего в периодическом режиме. Рассмотрение особенностей поглощения газа на непрерывно обновляемой пленке сорбента позволило в рамках развиваемого подхода описать работу титанового испарительного насоса в непрерывном режиме распыления титана и криосорбционного насоса с использованием эффектов криозахвата.
Развитие конденсационного метода откачки в НПО Криогенмаш шло по трем направлениям: высоковакуумные встроенные насосы, автономные высоковакуумные насосы и специальные насосы для откачки значительных количеств легкоконденсируемых веществ. Встроенный криоконденсационный насос состоит из последовательности параллельных друг другу поверхностей теплозащитного экрана (температурный уровень 80/100 К) и расположенной непосредственно за ними криоповерхности с температурным уровнем 4 К или 15/20 К.
Расчеты параметров молекулярного и лучистого переноса в таком устройстве А.Й.Сковородкина легли в основу проектирования встроенных криоконденса-ционных насосов ряда КВУ. Характерная величина коэффициента захвата элементарной ячейки по молекулярному потоку составляла при этом 0,20/0,22, а степень черноты по лучистому потоку - 0,98 при условии, что степень черноты поверхности теплозащитного экрана равна 0,9, а криопанель полностью поглощает все попавшие на нее молекулы. Продвижением вперед
94
тлт
в моделировании рабочих процессов во встроенном криоконденсационном насосе явилось исследование сотрудника ФТИНТ АН УССР А.М.Кислова, который учел возможность попадания на криоповерхность не только молекул, прошедших прилегающую ячейку, но и моледул, прошедших соседние ячейки криоэкрана. Следующим шагом были работы А. М. Макарова и Т. А. Панкратовой по исследованию влияния краевых эффектов при различных вариантах выполнения конструкции встроенного криоконденсадионного насоса, где было отмечено положительное воздействие так называемой «боковой проводимости» пространства между криоэкраном и стенкой камеры на вероятность захвата откачиваемых молекул. При этом была предложена новая конструкция встроенного криоконден-сационного насоса с прерывистой криопанелью и относительно легким доступом откачиваемых молекул газа к обеим ее сторонам. Такая конструкция позволяет практически втрое уменьшить необходимую площадь гелиевой панели, а значит, и соответственно установленную мощность ХГУ Для ряда специфических электрофизических установок существенный интерес представляет конструкция элементарной ячейки насоса камеры «ИРЕК», предложенная и теоретически и экспериментально исследованная А.И.Кутыловским, Н.П.Юшиным и др. Полученный при этом коэффициент захвата 0,38 значительно выше, чем в известных ранее конструкциях, причем сама ячейка насоса технологически достаточно проста. Описываемые результаты очень важны, поскольку предельные значения коэффициента захвата полости приемлемой геометрии со специальной профилировкой сечения составляют около 0,55/0,60. Дальнейшее развитие конструкций встроенных криоконденсационных насосов, по-видимому, будет связано с оптимизацией геометрических и теплофизических параметров откачивающего модуля. В этом направлении представляют интерес результаты С. Р. Галимова.
При разработке систем откачки ряда КВУ преодолены трудности создания специальных насосов для откачки значительных количеств легко конденсируемых паров (Н2О, С2Н5 ОН и др.). В.В.Леоновым, А.М.Макаровым, И.М.Тайдаковым, Л.А.Луневой, Г,Н. Шведовой и другими проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов вымерзания паров воды на криоповерхности. Эти исследования включали в себя определение формы намороженного конденсата в зависимости от взаимного расположения источника пара и криоповерхностей различной формы. Особенностью подхода являлся учет конечной толщины криоосадка на поверхности, что позволило оценить массу намороженного конденсата, ресурс работы устройства и степень заполнения рабочего объема конденсатом. Поиски рациональных конструктивных схем привели к необходимости поиска формы криоповерхности, на которой обеспечивается
равномерное намерзание осадка (большие расходы пара) и схемы парораспределительного устройства, обеспечивающего равномерный подвод пара к каждому элементу криоповерхности. Обе задачи успешно решены в НПО Криогенмаш. При намораживании паров конденсата на криоповерхности имеют место две стадии процесса: транспортная и «тепловая». Пока толщина слоя мала, быстрота действия поверхности лимитируется возможностью доставки молекул пара к криоповерхности. Если толщина слоя значительна, то основное влияние на быстроту действия оказывает механизм отвода тепла от границы фазового перехода. Теоретическое решение ряда задач о нестационарных процессах теплопроводности в слое конденсата с учетом фазового перехода на свободной границе слоя позволило рассчитать величину удельной быстроты действия рабочей поверхности десублиматоров в зависимости от времени или толщины намороженного слоя. Практически результатом этих работ явилось создание ряда автономных десублиматоров, используемых в системах откачки ВУ и КВУ в качестве первичной ступени откачки.
В ШО Криогенмаш в течение последних 20 лет ведутся планомерные теоретические и экспериментальные исследования криосорбционных средств получения вакуума. Долгое время в вакуумной технике отсутствовали специализированные сорбенты, а адсорбенты общепромышленного назначения при низких давлениях имели недостаточно высокие емкостные и кинетические характеристики. По инициативе ряда организаций, в том числе и НПО Криогенмаш, Институтом химии силикатов АН СССР и ГОЗ ВНИ-ИНП были разработаны и освоены производством синтетические цеолиты Са А-4В и СаЕН-4В. Наиболее удачным оказался цеолит СаЕН-4В, имеющий низкую температуру регенерации, что позволило применять его в криосорбционных устройствах вакуумных систем. В ряде институтов страны, в частности, в ХФТИ АН УССР, НПО Гелиймаш, НПО Криогенмаш проведено детальное и всестороннее исследование вакуумных характеристик новых цеолитов, которые оказались на порядок выше характеристик общепромышленных цеолитов. В настоящее время ИКС АН СССР и ГОЗ ВНИИНП синтезирован цеолит СаЕТ-4В с повышенной адсорбционной емкостью по водороду и гелию, что особенно важно для создания сверхвысоковакуумных систем. Однако, его высокие адсорбционные свойства по водороду и гелию реализуются при температуре регенерации 400/500 °С, что требует дополнительных усилий при разработке конструкции насосов. Новыми перспективными адсорбентами для вакуумной техники являются криосорбционные угольные ткани (КУТ). Их высокая активность по различным газам, низкая температура регенерации (150/200 °С), технологичность при создании разнообразных конструктивных элементов значительно расширяют диапазон применения крио-
сорбционного способа получения вакуума.
Эффективность абсорбентов связана с необходимостью охлаждения последних до криогенных температур. Неметаллические адсорбенты (угли, цеолиты и др.) являются высокопористыми телами и имеют очень низкий коэффициент теплопроводности. Это обстоятельство крайне затрудняет охлаждение адсорбента и отвод теплоты сорбции от слоя сорбента толщиной более, чем в одну гранулу. Необходимость развития вследствие этого криогенной поверхности для охлаждения адсорбента, рост габаритов и металлоемкости кри-осорбционного устройства являются нежелательными сторонами обсуждаемого явления. В.И,Куприяновым предложено интенсифицировать процесс переноса тепла в слое гранулированного адсорбента путем засыпки между гранулами металлического порошка с высоким коэффициентом теплопроводности (медь, алюминий; диаметр частицы 100/200 мк) и чернения криоповер-хности, охлаждающей слой сорбента. Применение смесей адсорбентов с металлическими порошками позволило получать в криосорбционном насосе давление на 2/3 порядка ниже, чем с использованием обычных абсорбентов, и значительно быстрее (2/3 часа вместо 10 часов ранее).
Следующим шагом на пути совершенствования криосорбционных устройств для вакуумирования камер КВУ явилось создание принципиально нового вида тепловой защиты абсорбента - пористого экрана из металлического порошка с высоким коэффициентом теплопроводности. Экран получают методом спекания из порошка с диаметром частиц 150/250 мк и толщиной слоя 3-3,5 мм. Предложение В.П.Белякова, А.В.Исаева, В. И. Куприянова и др. оказалось очень эффективным. В насосах такой конструкции предельное остаточное давление на порядок ниже, чем в насосах с металлическим порошком, а быстрота действия при этом значительно возрастает. Теоретическое объяснение А.М.Макаровым наблюдаемых экспериментально особенностей работы насоса с мелкозернистым металлическим фильтром подтвердило первоначальные предположения о том, что металлический пористый экран не только защищает адсорбент от теплового воздействия, но и служит мощным тепловым мостом для его охлаждения, создавая оптимальные условия работы адсорбента. Варьируя толщину слоя экрана и тип адсорбента (цеолит, КУТ-2 и т. д.), можно создавать насосы для работы как высоковакуумной, так и форвакуумной области давлений. В НПО Криогенмаш разработаны плоские криоадсор-бционнные модули и на их основе созданы и прошли испытания конструкции высокопроизводительного форвакуумного насоса с быстротой действия до 100 тыс.л-с-1 и высоковакуумного насоса с быстротой действия 40 тыс.л-с-1 при давлении 5-10-4 Па.
К специфическим вопросам проектирования и эксплуатации систем откачки КВУ относятся вопросы обеспечения эффективности работы автономных высо-
ковакуумных насосов, расположенных за проницаемым теплозащитным экраном, и вопросы организации поглощения выбросов из испытуемого изделия.
Теоретические и экспериментальные исследования А.М.Макарова, В.В.Леонова, Л.А.Луневой, В.М.Мухина в 1973-78 г.г. позволили получить ряд новых результатов, ранее неизвестных в вакуумной технике. Оказалось, что высоковакуумный насос за малопроницаемым теплозащитным экраном работает за счет бокового подтекания газа к насосу, причем зона подсоса увеличивается обратно-пропорционально корню квадратному из коэффициента прозрачности решетки экрана. Аналогичные выводы были получены в ФРГ три года спустя. Полученные результаты легли в основу расчета высоковакуумной системы откачки камеры, объемом 10.000 м3.
Удаление из экспериментального объема камеры КВУ легкоконденсируемого газа, выбрасываемого из функциональных систем изделия, с помощью лицевой поверхности криоэкранов (т. е. выброс непосредственно в камеру) не всегда допустимо. В НПО Криогенмаш предложено локализованный поток газа подводить к поверхности экрана и «прошивать» его плотной струей, которая, ударяясь о стенку камеры, растекается в пространстве между криоэкраном и стенкой камеры. Конденсируемый газ, проходя через мелкие ячейки криоэкрана, частично поглощается. Для типовых рас-четно-конструктивных схем поглощения выбросов подучены аналитические зависимости для коэффициента ослабления газового потока из источника, проверенные экспериментально. Результаты этих исследований внедрены в ряде конструкций КВУ.
Таким образом, можно сказать, что научно-технический потенциал коллектива НП0 Криогенмаш позволяет создавать высокоэффективные системы откачки различного назначения.
Системы теплосъема
При необходимости поглощения тепловых потоков, падающих на границу экспериментального объема непосредственно от источника излучения или после отражения от объекта испытаний, и поддержания температуры границы на криогенном уровне, камеры КВУ оснащаются соответствующими системами тепло-съема. Последние состоят из теплозащитного экрана и подсистемы криообеспечения. Теплозащитные экраны, как правило, представляют собой блочные конструкции из оребренных трубок специального профиля с искусственным чернением поверхности, обращенной к испытуемому объекту. Отдельные параллельно работающие трубки собираются в акции или блоки и последовательно или параллельно друг другу включаются как внешняя нагрузка в систему криообеспечения.
При проектировании системы теплосъема перед конструктором возникает последовательность задач
96
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ismi
обеспечения требуемой степени поглощения лучистых потоков, падающих на теплозащитный экран; обеспечения требуемого уровня температуры на поверхности оребренной трубки, обеспечения необходимой связи с системой криообеспечения. К настоящему времени сложилось мнение, что для обеспечения моделирования космических условий достаточно поддерживать температуру поверхности экрана на уровне 80/100 К. Это объясняется рядом причин. Во-первых, в указанном интервале температур плотность потока излучения с экрана на объект еще составляет относительно малую долю от плотности основного воздействующего потока; во-вторых, облегчен выбор криоагента - жидкий азот при небольших давлениях в системе (0,1/1,0 МПа), обладающий значительной теплотой парообразования, что позволяет интенсифицировать процесс теплообмена при кипении в условиях вынужденной или естественной конвекции в наклонных или вертикальных трубах и достаточно просто осуществить стабилизацию требуемого уровня температуры.
Поскольку кажущаяся степень черноты граничной поверхности конструкции экрана относительно слабо зависит от температурного поля на переоребреннои трубки, в первом приближении можно пытаться спроектировать профиль элементарной ячейки с требуемой вероятностью поглощения падающего потока при заданной локальной вероятности поглощения излучения на элементе твердой поверхности.
Теоретический анализ различных видов ячеек теплозащитного экрана при диффузном и направленном потоке излучения на входе в ячейку при диффузном и зеркальном отражении от твердой поверхности для двумерных (т.е. достаточно протяженных в продольном направлении) структур выполнен С. П. Горбачевым и А. И. Сковородкиным с использованием интегральных уравнений переноса излучений в диатермической среде в селективно-сером приближении. В результате теоретического анализа были получены рекомендации по геометрии элементарной ячейки теплозащитного экрана, которые внедрены в ряде КВУ, в том числе и в уникальной камере объемом 10.000 м3.
В начале 70-х годов в НПО Криогенмаш и ФТИНТ АН УССР проведены исследования стационарных температурных полей в оребренной трубке, по которой течет криоагент с заданным расходом, а на поверхность пара падает тепловой поток с заданной величиной плотности. Подобные исследования позволили оценить площадь криоповерхности теплозащитных экранов, способной удержать на себе легкоконденсируемые компоненты откачиваемой атмосферы.
В 1973 г. А. М. Макаровым, Л. Н. Ефимовой, Л. А. Луневой, Е. М. Фатеевым были проведены первые исследования нестационарных температурных полей в оребренной трубке применительно к проблемам охлаждения или отогрева теплозащитных экранов. Теоретические исследования базировались на линей-
ной теории сопряженных задач теплопроводности и использовании интегрального преобразования Лапласа по временной переменной. Позднее эти исследования продолжались в более общих предпосылках на основе нелинейной теории и использовании численных методов и ЭВМ. Экспериментальные исследования охлаждения оребренной трубки, проведенные Л. Н. Ефимовой, показали плодотворность предложенного подхода. В результате сегодня имеется возможность рассчитать время выхода на режим охлаждаемого теплозащитного экрана. Продолжением цикла работ по нестационарным температурным полям являются работы А. М. Макарова, Залогиной, Н. А. Столяровой о температурных волнах в оребренной трубке. В результате этих исследований можно будет ответить на вопрос о том, какие возмущения по амплитуде и частоте для температуры и расхода криоагента допустимы в системе криообеспечения теплозащитных экранов.
Проектирование систем криообеспечения КВУ имеет свои особенности для малых и значительных суммарных тепловых нагрузок. При малых тепловых нагрузках обычно применяют открытые системы крио-обеспечения с кипением азота в трубках теплозащитного экрана при заданном уровне зеркала жидкости либо с помощью уравнительной емкости, либо с помощью повышения давления паров азота в питающей емкости. Основное требование к подобным системам -максимальная простота и отсутствие механических насосов на линиях криопродукта.
При повышении погонной тепловой нагрузки на трубку экрана при жестких требованиях по уровню температуры на ребрах трубки оказывается целесообразным организовать вынужденную циркуляцию крио-продукта в контуре с сепарацией паров криопродукта в расширительном бачке. Отходящие пары криопродукта либо сбрасываются в атмосферу (открытые одноконтурные схемы), либо поступают в установки обратной конденсации и возвращаются в первый контур (двух-контурная замкнутая система). Последнее выгодно и при суммарно значительных тепловых нагрузках на криосистему, которая в этом случае, естественно, усложняется из-за необходимости предусматривать основное хранилище криопродукта, оперативные емкости для покрытия пиковых тепловых нагрузок, соответствующую обвязку и систему регулирования расчетных параметров, не говоря уже о том, что сама система получения криопродукта в значительных количествах достаточно сложна. Однако, использование многоконтурных схем во многом ослабляет влияние отдельных подсистем друг на друга и позволяет рассматривать их как условно независимые. Наибольшие затруднения при проектировании систем криообеспечения большой мощности вызывает организация циркуляции крио-продукта через теплозащитные экраны. Это связано и с выбором принципиальной схемы циркуляции на основе технико-экономического сравнения вариантов, и
с оптимизацией параметров системы на стационарном режиме, и с обеспечением устойчивости работы схемы в условиях переменной во времени и неоднородной в пространстве тепловой нагрузки, и с проблемой пуска схемы. Хотя в современной энергетике накоплен значительный опыт проектирования паросиловых установок, созданы соответствующие нормативные документы, специфика систем теплосъема крупных КВУ с сильно разветвленной гидравлической схемой и отличными от энергетических установок целями потребовала организации теоретических и экспериментальных исследований по всей совокупности затронутых вопросов.
В первую очередь был выполнен технико-экономический анализ различных вариантов схем циркуляции криоагента в теплозащитных экранах (Ф. А.Русак, Л.Н.Вайнмая, В.Н.Криштал, СП.Горбачев, Л.П.Ронжин). В результате в качестве базовой схемы была принята схема контура естественной циркуляции с вынесенной зоной кипения (КЕЦ), в которой съем тепловой нагрузки осуществляется в экономайзерном режиме, вскипание жидкости происходит на уровне, расположенном выше отметки крышка камеры, параллельно работающие трубки сведены в несколько подъемных стояков (двухфазный режим течения), а подпитка криопродуктом осуществляется с помощью опускного стояка. Такая схема для камеры объемом 10.000 м3 потребляет мощность на 300 квт меньше, чем схема с механическими центробежными насосами, и значительно менее склонна к неравномерности распределения расхода криопродукта по отдельным трубкам. После оптимизации стационарного режима были определены геометри-ческие характеристики контура, расчетные значения параметров схемы, спроектирована и изготовлена внешняя часть системы теплосъема.
Теоретические исследования неустановившихся процессов в контуре естественной циркуляции были организованы в НПО Криогенмаш (А.М.Макаров, С.П.Горбачев, М.Н.Бочаров, Л.Н.Ефимова) и в Челябинском политехническом институте (В.А.Черлига, Вайгулис и др.). Экспериментальное исследование
переходных процессов в КЩ проводили Ю.П.Блазнин и М.Н.Бочаров. Результатом этих исследований явилось убеждение, что выбранная схема теплосъема одной из уникальных КВУ является вполне работоспособной, по-видимому, она является устойчивой как относительно бесконечно малых, так и относительно возмущений конечной амплитуды, конструкция КЩ позволяет использовать методику запуска системы без привлечения вспомогательных центробежных насосов типа ЦВН. Вместе с тем необходимо отметить, что проблема устойчивости гидравлической системы с распределенными параметрами, весьма важная и в современной энергетике, еще не имеет строгого математического решения. Комплекс технологических исследований по монтажу отдельных секций теплозащитных экранов, по проблеме соединения разнородных материалов (АМЦс+12Х18Н1ОТ), чернения поверхности экрана, проведенный в 1970/1980 г., позволил осуществить в металле основные идеи, выработанные при проектировании системы теплосъема КВУ больших объемов.
Перспективные направления дальнейших НИР И ОКР в области создания высокоэффективных КВУ
Анализ накопленного в НПО Криогенмаш опыта создания крупных КВУ позволяет наметить определенные перспективные направления дальнейшего совершенствования КВУ. Это, в первую очередь, обеспечение конструктивной прочности и технологичности изготовления корпуса. Важный вопрос - обоснование при этом необходимого уровня унификации. Во вторую очередь необходимо отметить направление, связанное с совершенствованием конструкций встроенных и выносных криоконденсационных и криосорбционных насосов, с переходом на полностью безмасляные средства откачки. В третью очередь - организация САПР КВУ в возможно более широком понимании этого слова с локальной оптимизацией отдельных узлов и подсистем и глобальной оптимизации КВУ в целом.
98
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 1 4 (82) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ismi
