Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический Университет

Э.В. Клещин

Методические указания к выполнению лабораторной работы №4

«Принцип действия, классификация, основные параметры и характеристики криовакуумных насосов» по дисциплине «Криовакуумная техника»

Новосибирск 2009

Введение

Работа дает общее представление о классификации, основных параметрах и характеристиках, области действия, принципе работы применяемых в настоящее время криовакуумных насосов.

В работе изложены положения методики расчета криоконденсационного насоса, изучение которой позволяет выполнить расчет параметров насоса для заданных исходных данных.

Работу следует представить на листах формата А4 с соблюдением требований стандартов ЕСКД.

Содержание отчета: цель работы, исходные данные, расчет Работа дает общее представление о классификации, основных параметрах и характеристиках, области действия, принципе работы применяемых в настоящее время вакуумных насосов.

В работе изложены положения методики расчета криоконденсационного насоса, изучение которой позволяет выполнить расчет параметров насоса для заданных исходных данных.

Работу следует представить на листах формата А4 с соблюдением требований стандартов ЕСКД.

Содержание отчета: цель работы, исходные данные, расчет криоадсорбционного насоса.

Цель работы - расчет характеристик криоконденсационного насоса.

1. Общие сведения о криовакуумных насосах

1.1. Классификация криовакуумных насосов

Крионасосы классифицируют по следующим основным признакам: принципу действия, температурному уровню криопанели, быстроте действия,способу охлаждения криопанели и конструктивной схеме (рис.1.1).

Температурный уровень криопанели представляет собой основной фактор, определяющий предельный вакуум, создаваемый насосом. По температурному уровню крионасосы подразделяют на четыре группы в соответствии с температурами кипения азота (77К), неона (27,1К), водорода (20К) и гелия (4,2К) при атмосферном давлении.

Быстрота откачки в основном определяется размерами криопанели, а следовательно, и энергозатратами на ее охлаждение. По быстроте действия крионасосы условно подразделяют на три группы: малые с быстротой действия S < 10 дм³/с (для их охлаждения требуется мощность в несколько ватт); средние с быстротой действия 10…50 дм³/с (мощность несколько десятков ватт); крупные с быстротой действия S > 50 дм³/с (мощность – несколько сотен и даже тысяч ватт).

По конструктивной схеме крионасосы подразделяют на насосы фланцевые и встроенные.

По способу охлаждения крионасосы подразделяют на охлаждаемые сжиженными газами и с помощью автономных газовых холодильных машин.

Конструктивное оформление и эксплуатационные особенности насосов во многом зависят от способа охлаждения криопанелей. По этому принципу крионасосы подразделяют на основные четыре группы: наливные, испарительные, с автономными ожижителями, с газовыми холодильными машинами (криогенераторами).

1.2. Способы охлаждения крионасосов

Наиболее простой способ охлаждения крионасосов – охлаждение жидким криоагентом, наливаемым в сосуд, наружная поверхность которого служит криопанелью. Наливные насосы выполнены по типу криостатов. Они не требуют подсоединения к электросети, водопроводу или сети сжатого воздуха, в них нет движущихся деталей. Эти насосы легко прогреваются, поэтому их применяют в высоковакуумных системах.

Несмотря на относительно высокую стоимость жидкого гелия, ему отдают предпочтение по сравнению с жидким водородом, поскольку последний взрывоопасен. Преимущество жидкого гелия – низкая температура кипения, недостаток – весьма малая скрытая теплота парообразования, а следовательно, необходимость эффективной защиты от теплопритоков к криопанели насоса.

Недостатки насосов наливного типа:

• необходимость оснащения системой сбора испарившегося рабочего газа;

• значительные потери холода с оставшимся в сосуде после окончания работы газом;

• большой расход криоагента, необходимый во время пуска насоса для охлаждения криопанелей и экранов от нормальной до рабочей температуры;

• необходимость установки только в вертикальном положении;

• трудность получения и поддержания температуры выше точки кипения криоагента.

Кроме того, при хранении в сосудах Дьюара имеют место потери криоагента, не связанные непосредственно с работой насоса.

Насосы наливного типа используют в основном для лабораторных исследований.

При охлаждении насосов парами криоагентов (испарительный способ охлаждения) также используют сжиженные газы из сосудов Дьюара. В этом случае криопанели насосов выполняют в виде змеевиков или плоских шайб с внутренними каналами. Охлаждение криопанелей происходит в результате циркуляции по каналам и змеевикам паров испаряющегося криоагента. При этом циркуляция осуществляется под действием избыточного давления в сосуде Дьюара, либо с помощью механического вакуумного насоса. Эти способы питания насоса криоагентом дают возможность легко регулировать температуру криопанели, что обеспечивает более экономичное расходование криоагента. Кроме того, в наливных насосах испаряющийся в криопанели газообразный гелий часто используют для охлаждения защитных экранов до температур, промежуточных между нормальной и температурой криопанели, при этом отпадает необходимость использования другого криоагента. Поскольку в криопанелях нет жидких криоагентов, то после остановки эти насосы легко отогревать. Криопанель в испарительных насосах может быть установлена в любом пространственном положении.

Способ охлаждения с помощью автономных ожижителей обычно используют в больших крионасосах. Сжиженный газ собирается в бачке, который является и криопанелью. Отработанный газ, выходящий из бачка крионасоса, отдает холод в теплообменниках встречному потоку газа, идущему на ожижение, что существенно повышает экономичность процесса охлаждения насоса. Недостатки этого способа охлаждения – сложность обслуживания и необходимость постоянного наблюдения за работой ожижителя.

Охлаждение с помощью автономных газовых холодильных машин (криогенераторов) применяют для малых крионасосов. С помощью криогенераторв достигается температурный уровень 15…20 К и холодопроизводительность 2…5 Вт. Холодильные машины удобны тем, что для их работы требуется только электиропитание и техническая охлажденная вода. Они работают без расхода рабочего газа (гелия), так как рабочее тело в холодильном цикле криогенератора совершает замкнутый цикл, оставаясь в газовой фазе. Насосы с криогенератором экономичны, так как здесь холод используется непосредственно в месте его получения.

1.3. Тепловые нагрузки на крионасосы

Тепловой расчет крионасосов разбивают на два этапа:

1) определение тепловых нагрузок на криопанель и теплозащитный экран;

2) определение расхода криоагентов или мощности криогенных устройств.

Тепловую нагрузку на криопанель Q_п создают потоки теплоизлучения с поверхностей, окружающих криопанель Q_и; теплопроводности через тепловые мосты (механические опоры и держатели криопанелей, подвески заливных бачков, трубки для пдачи жидких криоагентов и др.) Q_λ, а также потоки, возникающие вследствие непрерывной конденсации откачиваемых газов Q_к и теплопровдности остаточных газов от стенки насоса к криопанели Q_α, то есть в общем случае суммарный тепловой поток будет

Q_п = Q_и+ Q_λ+ Q_к+ Q_т .

При давлении ниже 0,1 Па (средний и высокий вакуум) основными источниками тепловых нагрузок на криопанель являются тепловое излучение и теплопроводность по тепловым мостам.

Тепловой поток излучения Вт к холодному телу 1, заключенному в полости теплого тела 2, определяют по формуле

(1.1)

где σ = 5,67 Вт/(м²∙К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана;

ε_пр – приведенная степень черноты системы;

F – площадь поверхности холодного тела, м²;

Т₁, Т₂ – температуры холодного и теплого тел соответственно, К.

Тепловой поток поток по тепловым мостам Вт, определяют по формуле

, (1.2)

где F_м – площадь поперечного сечения теплового моста, м²;

ℓ_м – длина теплового моста, м;

– средняя теплопроводность теплового моста, Вт/(м∙К).

Тепловой поток, обусловленный конденсацией, определяют по формуле

, (1.3)

где γ – вероятность конденсации молекулы газа;

∆i – среднее изменение энтальпии при конденсации, Дж/кг;

R – газовая постоянная, то есть Дж/(кг∙К), при этом

=8314 Дж/(кмоль∙К) – универсальная газовая постоянная, а – мо- лекулярный вес газа, кг/кмоль;

Т – температура газа,К;

F_п – площадь поверхности панели, м²;

р – давление, Па.

Тепловой поток Вт, возникающий вследствие теплопроводности остаточных газов, рассчитывается по формуле

, (1.4)

где индексы «п» и «с» относятся соответственно к панели и стенке; α - коэффициент аккомодации; к – постоянная адиабаты; М – молекулярный вес газа, кг/кмоль.

1.4. Криоконденсационные насосы

Эффективность процесса криоконденсационной откачки во многом зависит от того, как быстро могут быть переданы тепловые нагрузки через слой криоосадка, то есть от его теплопроводности.

Основные характеристики крионасосов – предельное остаточное давление, быстрота действия и ресурс работы.

Предельное остаточное давление насоса , то есть давление р_1, Па, во входной полости насоса немного выше давления насыщенных паров р₂ при температуре конденсирующей поверхности Т_п и рассчитывается из соотношения

, (1.5)

где Т_с – температура стенки.

Быстрота действия криоконденсационного насоса S, дм³/с, зависит от проводимости теплозащитного экрана U_э, дм³/с:

(1.6)

где S_к – быстрота конденсации на криопанели, дм³/с;

S_к = к_п ∙S_т∙F_п. (1.7)

Быстрота действия криоконденсационного насоса может быть определена также из соотношения

S = F_п∙S_т∙к_п∙р_п, (1.8)

где р_п – вероятность пролета молекул.

Коэффициент прилипания к_п учитывает сложность процесса конденсации и влияние различных факторов на его протекание.

Теоретическая удельная быстрота конденсации S_т, дм³/(м²∙с) зависит от вида течения газа.

Так при молекулярном течении

, (1.8)

а при вязкостном течении

. (1.9)

Значения удельной теоретической быстроты конденсации некоторых газов при молекулярном режиме течения приведены в табл.1.1, а при вязкостном режиме – в табл. 1.2.

Таблица 1.1

Удельная быстрота конденсации при молекулярном режиме течения

Газ	Температура криопанели, К	Удельная быстрота конденсации, дм3/(м2∙с) при температуре газа, К
		203	78
Двуокись углерода	78	9,4	–
Азот	20,4	11,8	6,1
Кислород	20,4	11,0	5,7
Неон	4,2	13,9	7,2
Водород	4,2	44,2	22,8

Таблица 1.2

Удельная быстрота конденсации при вязкостном режиме течения

Газ	Показатель адиабаты, к	Удельная быстрота конденсации, дм3/(м2∙с) при температуре 293К	Sт. в/Sт.м
Аргон	1,67	17,9	1,81
Азот	1,40	20,1	1,71
Пары воды	1,33	24,8	1,69

Р есурс работы криоконденсационного насоса определяется допустимой толщиной криоосадка.