2. Методика расчета криокондесационных насосов

При расчете высоковакуумных криоконденсационных насосов принимаются следующие допущения:

• режим течения газа – молекулярный;

• температурное сопротивление криоосадка пренебрежимо мало;

• свойства поверхностей, находящихся на одинаковых температурных уровней, идентичны;

• в связи с малым влиянием в упрощенном расчете не учитывать тепловой поток, обусловленный конденсацией, и тепловой поток, возникающий вследствие теплопроводности.

Упрощенная методика расчета рассматривается на примере расчета наливного гелиевого насоса (рис. 2.1).

Исходные данные

Требуемая быстрота откачки азота S = 2000 дм³/с. Коэффициент прилипания к_п = 1 для азота при температуре криопанели Т_к = 4,2 К. Теоретическая быстрота конденсации газа S_т=11,91дм³/(ссм²). Вероятность пролета молекул через шевронный экран р_п = 0,29. Принять 2r = h = . Приведенная степень черноты криопанели и экрана ε_пр = 0,5. Площадь поверхности теплозащитного экрана F_э = 885см². Степень черноты теплозащитного экрана ε_э = 0,9. Температура теплозащитного экрана Т_э = 77К, а температура окружающей среды Т_ос = 300К. Гелиевый бачок подвешен на двух трубках (каждая длиной по 40см), а две трубки, каждая длиной по 10см, контактируют с азотоохлаждаемой поверхностью, наружный диаметр трубок d_н = 11мм с толщиной стенок δ_ст = 0,2мм. Материал трубок – коррозионностойкая сталь со средней теплдопроводностью  = 0,04 Вт/(м∙К) в диапазоне температур 4 – 77К и  = 0,11 Вт/(м∙К) в диапазоне температур 77– 300К.

Расход гелия на 1Вт теплового потока составляет 0,11дм³/ч, а расход жидкого азота – 0,8 дм³/ч.

3. Последовательность расчета

1. Рассчитать площадь поверхности криопанели F_п, см².

2. Определить тепловую нагрузку Q_и, Вт на криопанель от теплозащит ного экрана.

3. Определить тепловую нагрузку Q_и, Вт на теплозащитный экран от окружающей среды.

4. Рассчитать тепловой поток Q_мг, Вт по тепловым мостам на гелиевый бачок.

5. Рассчитать тепловой поток Q_ма, Вт по тепловым мостам на азотный бачок.

6. Определить суммарные тепловые нагрузки Q_Σг, Вт на гелиевый бачок и Q_Σа на теплозащитный азотный экран.

7. Рассчитать часовой расход в литрах гелия и азота.

4. Последовательность выполнения работы

4.1. Изучить методические указания.

4.2. Выполнить расчет криоконденсационного насоса.

2.4. Ответить письменно на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Какие известны типы криогенных насосов?

2. Перечислить возможные способы охлаждения криогенных насосов.

3. Перечислить возможные температурные уровни для криогенных насосов.

4. Какие недостатки криогенных насосов наливного типа?

5. Какие тепловые нагрузки действуют на криопанель?

6. Записать формулы для определения теоретической удельной быстроты конденсации для молекулярного и вязкостного режимов течения.

12