2. Криоадсорбционные насосы

Принцип действия криоадсорбционных насосов основан на поглощении газа поверхностным слоем материала при понижении температуры поверхности при последующей регенерации (восстановлению) с помощью нагрева этого поверхностного слоя.

В качестве адсорбентов в насосах применяют пористые материалы с сильно развитой внутренней поверхностью (F_ад ≈ 1000м²/г), к которым относятся синтетические и природные цеолиты, активированные угли и силикагели.

Криоадсорбционные насосы создают вакуум, свободный от углеводородов. Они представляют собой устройства, содержащие адсорбент, расположенный слоем не более 30мм на плоской, цилиндрической или сферической поверхностях. Корпус насоса снабжен двумя патрубками: один, имеющий больший диаметр, служит для подсоединения к камере, другой – для проведения регенерации. К недостаткам криоадсорбционного насоса относятся необходимость регенерации и значительное время пуска. Температура адсорбента Т_ад на 10…20К выше температуры криоагента.

Среднюю температуру слоя адсорбента определяют по следующим формулам:

для плоского слоя

; (2.1)

для цилиндрического слоя

; (2.2)

для сферического слоя

, (2.3)

где Т₂ – температура на периферии адсорбционного слоя, принимаемая температуре теплозащитного экрана, К;

Т_к – температура криоагента, К;

D₁ и D₂ – диаметры сосуда для криоагента и теплозащитного экрана со- ответственно.

Температуру теплозащитного экрана принимают равной температуре криоагента. С учетом подвода теплоты по тепловым мостикам средняя температура теплозащитного экрана будет выше температуры криоагента и может быть определена приближенно из соотношения

, (2.4)

где q – удельный тепловой поток к поверхности экрана, Вт/м²;

П – периметр теплозащитного экрана, м;

ℓ_м, δ_м – длина и толщина теплового моста, м;

n – число тепловых мостов;

λ_м, λ₂ – теплопроводности материалов моста и экрана, Вт/(м∙К);

δ₂ – толщина экрана.

Удельный тепловой поток для наливных насосов определяют по формуле

, (2.5)

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

ε_пр – приведенная степень черноты системы корпус – экран;

Т₃ – температура корпуса насоса, К.

Приведенную степень черноты вычисляют по формулам:

для плоских поверхностей

(2.6)

для цилиндрической и сферической поверхностей

, (2.7)

где ε₂, ε₃ – степени черноты поверхности экрана и внутренней поверхности корпуса соответственно;

F_2, F₃ – площади поверхности экрана и корпуса соответственно, м².

Для погружных насосов значение q определяется опытным путем.

Удельная емкость адсорбента при рабочем давлении р определяется по формуле

, Па∙м³/кг (2.8)

где β_р – коэффициент регенерации адсорбента;

А и В – экспериментальные постоянные цеолита, значения которых для 3-х натекающих газов приведены в табл.1.

Поглотительная способность адсорбента

, (2.9)

где М_ад – масса адсорбента.

Таблица 2.1

Значения коэффициентов А и В для вакуумных цеолитов в формуле (2.8)

Натекающий газ	А, К	В, м3/кг
Азот	1500	5∙10-2
Кислород	1150	3∙10-2
Аргон	1150	3∙10-2

Предельное давление адсорбционного насоса определяют по формуле

, Па, (2.10)

где р₀ – начальное давление в объеме насоса перед пуском, Па;

V_н – внутренний объем насоса, м³;

М – масса адсорбента в насосе, кг;

Т₀ – температура в объеме насоса перед пуском, К;

А и В – постоянные уравнения (2.8).

Быстрота действия адсорбционного адсорбционного слоя за экраном

, м³/с (2.11)

где D_эф – эффективный коэффициент диффузии (для азота и кислорода

D_эф ≈ 2∙10¹² м²/с; для аргона D_эф ≈ 10^-12 м²/с);

А и В – постоянные уравнения (2.8);

к_з – коэффициент формы зерна адсорбента( для плоских, цилиндриче- ских и сферических зерен к_з = 1/3; 1/8; 1/15 соответственно;

R – характерный размер зерна, м.

Проводимость пористого экрана

, м³/с (2.12)

где – удельная проводимость экрана – для пористых экранов= 1…2 м³/(с∙м²);

h – высота адсорбционного слоя (кассеты), м.

Действительная быстрота действия криоадсорбционной кассеты

(2.13)

Теоретическая быстрота действия

, (2.14)

где Т₀ – температура газа, падающего на экран, принимаемая обычно рав- ной температуре корпуса насоса, К;

М – молекулярная масса откачиваемого газа, кг/кмоль.

Коэффициент прилипания

(2.15)

Проводимость входного сечения адсорбционной полости

, (2.16)

где Т₃ – температура корпуса (окружающей среды Т₀), К.

Быстрота действия на входе в адсорбционную полость определяется рафически из рис. 2.1 при

Проводимость входного патрубка

, м³/с. (2.17)

Начальная быстрота действия насоса

, м³/с (2.18)

Время работы насоса при заданном давлении и потоке газа рассчитывается по формуле

, с, (2.19)

где – поток натекающего газа, м³/с;

к_н – коэффициент насыщения;

р_раб – рабочее давление, Па.