- •Криовакуумная техника
- •Лекция №1
- •1.1. Понятие о вакууме
- •1.2. Степени вакуума
- •Лекция №2
- •2.1. Вывод уравнения состояния для идеального газа
- •2.2. Законы идеальных газов
- •2.3. Испарение и конденсация
- •2.4. Термины и определения вакуумной техники
- •Лекция №3
- •3.1. Расчетные понятия вакуумной техники
- •3.2. Понятие о процессе откачки газа из вакуумной системы
- •3.3. Режимы течения газа по трубопроводу
- •Лекция №4
- •4.1. Взаимодействие газов с твердыми телами
- •4.2. Основные понятия теории массообмена
- •Лекция №5
- •5.1. Перенос теплоты в вакууме
- •5.2. Вязкость газов
- •Лекция №6
- •6.1. Тепловые нагрузки на криогенные вакуумные насосы
- •6.2. Классификация вакуумных насосов
- •6.3. Области действия вакуумных насосов
- •6.4. Объемные вакуумные насосы
- •6.4.1. Поршневые насосы
- •6.4.2. Жидкостно-кольцевые насосы
- •6.4.3. Роторные вакуумные насосы
- •Лекция №7
- •7.1. Молекулярные вакуумные насосы
- •7.2. Струйные вакуумные насосы
- •Лекция №8
- •8.1. Ионные вакуумные насосы
- •8.2. Испарительные насосы
- •8.3. Криогенные вакуумные насосы
- •Лекция №9
- •8.1. Криоадсорбционные вакуумные насосы
- •8.2. Криоконденсационные вакуумные насосы
- •Лекция №10
- •10.1. Конструкция криоконденсационных насосов
- •10.2. Другие типы сорбционных вакуумных насосов
- •Лекция №11
- •11.1. Техника измерения общего и парциального давлений газа
- •Лекция №12
- •12.1. Специфика измерения вакуума при низких температурах
- •12.2. Герметичность вакуумных систем
- •12.3. Измерение и контроль основных параметров вакуумных насосов
- •Лекция №13
- •13.1. Запорно-регулирующая арматура вакуумных систем
- •13.2. Элементы вакуумных систем
- •13.3. Ловушки
- •Лекция №14
- •14.1. Типовые схемы вакуумных установок
- •Лекция № 15
- •15.1. Методика расчета вакуумных систем
- •Лекция №16
- •16.1. Выполнение принципиальных вакуумных схем
5.1. Перенос теплоты в вакууме
Тепловой поток теплопроводностью Вт между параллельными пластинами в условиях низкого вакуума определяется из соотношения
, (5.1)
где Т1 и Т2 – температура "теплой" и "холодной пластины", К; F – площадь поверхности пластины,м2; λ - коэффициент теплопроводности газа при среднейтемпературе, Вт/(м·К);– расстояние между пластинами, м.
Коэффициент теплопроводности газа может быть рассчитан из соотношения:
где = 0,5, 1,9 и 1,75 соответственно для одноатомных, 2-х атомных и многоатомных газов;– плотность газа, кг/м3; – удельная изохорная теплоемкость газа, Дж/(кг·К);– средняя арифметическая скорость молекул, м/с;– средняя длина свободного пути молекул, м.
Тепловой поток теплопрводностью Вт между параллельными пластинами в условиях высокого вакуума запишется так:
(5.2)
где Т – средняя температура пластин, К; М – молекулярная масса, кмоль/кг; – среднее давление, Па;– коэффициент аккомодации, выражающий поправку на то, что молекула газа, ударяясь о нагретую или холодную поверхность, не успевает приобретать энергию, соответствующую температурам пластин.
Коэффициент аккомодации можно вычислить по формуле:
где α1,α2 – коэффициенты аккомодации при температуре Т1 и Т2 соответственно.
В таблице 5.1 приведена зависимость коэффициента аккомодации от температуры.
Таблица 5.1
Зависимость коэффициента аккомодации от температуры
Температура,К |
Коэффициент аккомодации | ||
Воздух |
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 iго газа Вт, обусловленный конденсацией, определяют по формуле
, (5.3)
где – вероятность конденсации iго газа; – газовая постоянная iго газа, Дж/(кг·К) – парциальное давление iго газа, Па; Т – температура "холодной" поверхности, К; – среднее изменение энтальпии при конденсации, Дж/кг.
Тепловой поток излучением Вт такой же как в лучепрозрачных средах и не зависит от степени вакуума и для 2-х произвольных поверхностей может быть рассчитан из соотношения
(5.4)
где Т1 и Т2 – температуры "теплого" и "холодного" тела соответственно; ;– коэффициент облученности 2-го первым телом;– постоянная Стефана-Больцмана.
Тепловой поток Вт излучением между параллельными пластинами примет вид
(5.5)
где .
Значения степеней черноты некоторых материалов в зависимости от температуры приведены в таблице 5.2
Таблица 5.2
Степени черноты материалов в зависимости от температуры
№ п/п |
Материал |
Степень черноты при температуре, К | ||
300 |
77 |
4,2 | ||
1 |
Медь |
0,03 |
0,019 |
0,015 |
2 |
Алюминий |
0,03 |
0,018 |
0,011 |
3 |
Коррозионно-стойкая сталь |
0,10 |
0,06 |
– |
4 |
Углеродистая сталь |
0,6 |
– |
– |
5 |
Серебро |
0,03 |
0,01 |
– |
Тепловой поток по тепловым мостам Вт может быть приближенно рассчитан по формуле
(5.6)
где – площадь сечения теплового моста, м2; – длина теплового моста, м;– теплопроводность материала теплового моста при среднейего температуре, Вт/(м·К).
Для уменьшения теплопритоков, вследствие теплопроводности обычно применяют длинные тонкостенные трубки из металлов с малой теплопроводностью – коррозионно-стойкой стали, нейзильбера, мельхиора (см. таблицу 5.3).
Таблица 5.3
Теплопроводность некоторых материалов в зависимости от температуры
Сплав Состояние образца |
Теплопроводность, Вт/(м·К) при температуре, К | |||||||
Нейзильбер необработанный |
4 |
6 |
10 |
20 |
40 |
80 |
150 |
300 |
0,7 |
1,3 |
2,8 |
7,4 |
13 |
17 |
18 |
20 | |
Коррозионно-стойкая сталь необработанная |
0,25 |
0,4 |
0,7 |
2,0 |
4,6 |
8,0 |
11 |
15 |