Методика расчета процесса криосорбционной откачки импульсных потоков разреженного газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Зобков, Павел Николаевич

• Зобков, Павел Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зобков, Павел Николаевич

Введение.

1. Криосорбционный метод создания вакуума.

1.1 Развитие криосорбционного метода создания вакуума.

1.2 Адсорбенты и их свойства.

1.2.1 Адсорбционные характеристики адсорбентов.

1.2.2 Теплофизические характеристики адсорбентов.

1.3. Криосорбционные системы откачки для газодинамических установок.

2. Физическая модель криосорбционного вакуумного насоса.

3. Расчет температурного поля в слое сорбента.

3.1. Методика расчета одномерного температурного поля в слое сорбента.

3.2. Методика расчета двумерного температурного поля в слое сорбента.

4. Определение эффективного коэффициента теплопроводности слоя сорбента.

4.1. Методы определения эффективного коэффициента теплопроводности дисперсных веществ.

4.1.1. Эмпирические методы определения эффективного коэффициента теплопроводности дисперсных и многослойных веществ при криогенных температурах.

4.1.2. Расчетное определение эффективного коэффициента теплопроводности дисперсных веществ на базе метода обобщенной проводимости.

4.1.3. Расчет эффективного коэффициента теплопроводности слоя адсорбента №Х при помощи различных математических моделей.

4.2. Экспериментальная методика для определения эффективной теплопроводности сорбента.

4.2.1. Экспериментальный стенд для определения эффективной теплопроводности сорбентов при криогенных температурах в условиях вакуума.

4.2.2. Определение эффективной теплопроводности цеолита на экспериментальной установке.

4.2.3. Определение погрешности измерений.

4.2.4. Обработка результатов.

4.3. Математическая модель для расчета эффективного коэффициента теплопроводности слоя сорбента NaX.

4.4. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений эффективного коэффициента теплопроводности сорбента NaX

5. Определение зависимости скорости откачки сорбента от температуры.

6. Расчет процесса криосорбционной откачки импульсных потоков разреженного газа.

6.1 Оценка сопротивления слоя сорбента.

6.2 Алгоритм расчета процесса криосорбционной откачки импульсных потоков разреженного газа.

6.3 Методы повышения эффективности процесса криосорбционной откачки.

7. Экспериментальная проверка методики расчета.

7.1. Экспериментальная проверка основных характеристик процесса криосорбционной откачки.

7.2. Порядок проведения эксперимента.

7.3 Определение погрешности эксперимента.

7.4 Обработка результатов эксперимента.

7.5 Сравнение экспериментальных и расчетных данных процесса криосорбционной откачки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика расчета процесса криосорбционной откачки импульсных потоков разреженного газа»

Современное машиностроение и приборостроение требуют широкого внедрения новых инновационных технологий обработки материалов, в частности лазерной. Весьма перспективными в этом плане считаются химические кислородно-йодные лазеры, мощность излучения которых может составлять десятки и сотни киловатт с длиной волны излучения 1.315 мкм. Такое излучение хорошо поглощается металлами, передается с низкими потерями по световодам и в тоже время находится в области прозрачности атмосферы [93]. Эти факторы делают возможным промышленное применение лазеров в таких областях, как дистанционное разрушение' конструкций в опасных условиях (например, утилизация ядерных реакторов), а так же для обработки (резка, сверление и т.д.) и термоупрочнение материалов. Высокая эффективность, возможность распространения излучения, в атмосфере, а также хорошие массогабаритные' характеристики создают предпосылки для, перспектив применения лазеров этого типа в системах военного назначения [93,94,95] как для локации, так и для поражения объектов на расстоянии* в сотни километров. Возможность, генерации большого набора < частот в одном лазерном импульсе может быть использована для создания-систем диагностики и контроля состава-газовых смесей, в т. ч. дистанционных локаторов состава и состояния атмосферы - лидаров. Не исключено,- что химические лазеры, обладая большой- энергией излучения на единицу массы расходуемых реагентов, окажутся полезными при развитии технологии в космосе (лазерная сварка).

Необходимым элементом кислородно-йодного лазера является система откачки газа при давлении 1-1300 Па. Поскольку величина потока газа может составлять. до 30-моль/с, то практически отсутствует разумная альтернатива криосорбционному методу откачки как по энергетическим, так и по массогабаритным показателям, особенно если речь идет о мобильных лазерных системах.

Несмотря на то, что криосорбционные вакуумные насосы стали широко использоваться с середины прошлого столетия, имеющиеся на сегодня методики расчета этих насосов основываются на допущении, что процесс поглощения в них протекает в изотермических условиях. Это, вероятно, допустимо, когда поток откачиваемого газа мал. Если поток интенсивный, как в интересующем нас случае, то необходимо учитывать нестационарность > температурного поля в слое сорбента и, как следствие этого, зависимость скорости откачки и соответственно тепловыделения от локальных значений температур на отдельных участках слоя сорбента.

Широкие перспективы использования кислородно-йодных лазерных систем делают весьма актуальной разработку адекватной методики расчета одного из ее основных элементов - криосорбционного вакуумного насоса. Наличие такой методики позволит осуществлять подробной анализ процесса криосорбционной откачки и определять меры повышения эффективности работы адсорбционного насоса (например, за счет повышения эффективной теплопроводности сорбента или создание новых профилей криопанелей) . Важность, указанной задачи состоит еще и в том, что аналогичные насосы находят все большее применение- в системах откачки газодинамических установок ( системы молекулярных пучков, аэродинамические трубы- малой плотности и др.), работающих в импульсном режиме при среднем и низком вакууме. Кроме этого, криосорбционные насосы обладают помимо высокой быстроты действия такими достоинствами, как отсутствие вибрации, электрических и магнитных полей , а также тем, что обеспечивают « чистый », безмасляный вакуум.

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Зобков, Павел Николаевич

Заключение. Выводы по работе.

1. Разработана' методика расчета процесса криосорбционной откачки импульсных потоков разреженного газа в условиях нестационарного одномерного И; двумерного температурных полей в слое адсорбента.

2. Адекватность методики расчета процесса криосорбционной откачки импульсных потоков разреженного газа в условиях нестационарного одномерного температурного поля слоя адсорбента подтверждена на реальном физическом эксперименте.

3. Разработан алгоритм расчёта процесса криосорбционной откачки импульсных потоков разреженного газа и написана программа для реализации его на языке «Fortran».

4. Разработана математическая модель для определения эффективного коэффициента теплопроводности слоя сорбента при криогенных температурах в условиях "вакуума. Адекватность модели подтверждена ; на " реальном физическом эксперименте.

5. Определена зависимость эффективного коэффициента теплопроводности от пористости; системы для диапазона температур 78 -110 К в условиях вакуума. В состоянии свободной засыпки» для сферических гранул одинакового диаметра сорбента ЫаХ Хэф= 0:071 Вт/ (м х К).

6. Экспериментально определен температурный коэффициент изменения скорости откачки слоя сорбента NaX В=0.028 1/К в интервале температур 78110 К.

7. Исследован вопрос влияния на; эффективность процесса криосорбционной откачки в импульсном режиме: профиля криопанели. На основе произведенных расчетов- установлено ,, что при использовании оребрения можно- увеличить число рабочих циклов газодинамической системы в два раза по-сравнению с плоской криопанелью.

8. Исследован вопрос влияния на эффективность процесса криосорбционной откачки в импульсном режиме применение: шихты» ( гранулы меди- гранулы цеолита):

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зобков, Павел Николаевич, 2010 год

1. Акулов Л. А., Борзенок Е. И. и др. Теплофизические свойства криопродуктов. СПб: Политехника 2001г.-250стр.

2. Арефьев А. В., Максимов С. П. Сорбция воздуха цеолитами при температуре жидкого азота и низких давлениях. Журнал физической химии, т. ХЬ, № 8, 1966,с. 1899-1902.

3. Арефьев А. В., Максимов С. П. Сорбция воздуха цеолитами, силикагелями, алюмогелями и активными углями. В сб. « Физика и техника сверхвысокого вакуума». Под ред. Г.Л.Саксаганского. Л.: Машиностроение, 1968. стр. 22-31.

4. А. С. 449172 (СССР), МКИ Г04В 37/02.

5. А. С. 383877 (СССР), МКИ Р04В 37/02

6. А. С. 1Ш 2 101 564 СГМПК Р04В 37/02

7. А. С. Ш 2 186 248 С1 МПК Р04В 37/02

8. А. С. Яи 2 197 624 С2 МПК Б04В 37/02

9. А. С. Ш 2 187 696 С1 МПК Б04В 37/02

10. А. С. БШ 2 203 437 С1 МПК Р04В 37/02

11. А. С. 1Ш2 215 901 С2 МПК Б04В 37/02

12. Беринг Б.П. и др. Адсорбция паров аргона и азота на цеолите ЫаХ, модифицированном водой. Журнал физической химии, т. ХЪ, № 3, 1966,стр.549-555.

13. Брунауер С. Адсорбция газов и паров.Т1. Физическая адсорбция. Пер. с англ. Под ред. М.М. Дубинина. М.: Иностранная литература, 1948 г. 781 стр.

14. Вакуумная техника. Справочник. Под ред. Е. С. Фролова. Л.Машиностроение, 1992 г.-480 стр.

15. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и ждикостей. М: Физматгиз, 1963г. -708 стр.

16. Головко Г. А. Криогенное производство инертных газов. Л.: Машиностроение, 1983. — 426стр.

17. Ващенко JI. А., Серпинский В. В. Адсорбция азота на цеолите NaX. Известия АН СССР. Серия: химическая, № 3, 1978, с. 1248-1252.

18. Волчкевич А. И. Высоковакуумные адсорбционные насосы. М.: Машиностроение, 1973, 158 с.

19. Волчкевич А.И. Влияние охлаждения и толщины слоя адсорбента на характеристики высоковакуумного адсорбционного насоса. «Электронная техника», МЭП, СССР, сер.1, «Электроника СВЧ», 1971, вып. 6, стр. 9-17.

20. Волчкевич А.И. Кинетика адсорбции газов микропористыми адсорбентами в высоком вакууме. Сб. «Электровакуумное машиностроение». Под ред. А.Т. Александровой (труды МИЭМ), М., 1972, вып. 20, стр.11-33.

21. Волчкевич А.И., Кондрашев B.C. Теория высоковакуумного адсорбционного насоса. В сб. « Физика и техника сверхвысокого- вакуума». Под ред. Г.Л.Саксаганского. Л.: Машиностроение, 1968. стр. 81-99.

22. Востров Г.А., Розанов Л.Н .Вакуумметры. Л: Машиностроение, 1967г. — 235 стр.

23. Голянд М. М. Расчеты и испытания тепловой- изоляции. Л. Гостоптехиздат, 1961,314 стр.

24. Демидович Б.П., Марон И.А. и др. Численные методы анализа. М: ГОСУДАРСТВЕННОЙ ИЗДАТЕЛЬСТВО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ-ЛИТЕРАТУРЫ, 1962г. -367 стр.

25. Дубинин' М.М. Современное состояние теории объемного заполнения микропористых адсорбентов при адсорбции газов и паров на углеродных адсорбентах. «ЖФХ» , 1965 г, т. XXXIX, №6, стр. 1305-1317.

26. Дульнев Г.Н., Сигалова З.В. Теплопроводность зернистых систем. «ИФЖ» ,1964 г, №10, стр. 49-55.

27. Дульнев Г.Н. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: изд. «Энергия» , 1974 г. 264 стр.

28. Дульнев Г.Н. Перенос тепла через твердые дисперсные вещества. «ИФЖ» ,1965 г, т.9, №3, стр. 399-404.

29. Дульнев Г.Н. О теплопроводности статических смесей. «ИФЖ» , 1965 г, т.9, №4, стр. 538.

30. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность многокомпонентных смесей. «ИФЖ» , 1967 г, т. 12, №4, стр. 419-425.

31. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. и др. Теплопроводность зернистых и слоабоспеченных систем. «ИФЖ» , 1969 г, т. 16, №6, стр. 1019-1028.

32. Дульнев Г.Н., Муратова Б.Л. Теплопроводность волокнистых систем. «ИФЖ» , 1968 г, т.14,№1, стр. 29-35.

33. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. Пер. с англ. Под ред. М.И. Меньшикова. М.: Мир, 1964 г. 648 стр.

34. Заричняк Ю.П. Теплопроводность зернистых и слабосвязанных материалов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техщ наук, Л.: ЛИТМО, 1970, 19 стр.

35. Заричняк Ю.П.Расчет обобщенной проводимости систем с вытянутыми включениями. В кн. «Тепло-и массоперенос в твердых телах, жидкостях и газах». Минск:Наука и техника , 1969 г., стр. 95-103.

36. Зобков П.Н., Иванов В.И. и др. Зависимость кинетики адсорбции от температуры. «Вестник МАХ», в.№4.М: Холодильная техника, 2008г., стр. 32-33.

37. Зобков П.Н., Иванов В.И. и др. Определение эффективной теплопроводности цеолита ИаХ. «Известия СПбГУНиПТ», в.№1.СПб: СПбГУНиПТ, 2009г., стр. 4649.

38. Зобков П.Н., Иванов В.И. и др. Влияние способов отвода теплоты от сорбента на эффективность процесса криосорбционной откачки. «Вестник МАХ», в.ЖЗ.М: Холодильная техника, 2009г., стр. 41-43.

39. Иванов В.И. Безмасляные вакуумные системы.-JL: Машиностроение, 1980.160 с.

40. Каганер М. Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.: Машиностроение, 1966 г. 275 с.

41. Каганер М. Г. Зависимость адсорбции азота от диаметра пор адсорбентов». Журнал физической химии, т. XLII, № 5, 1966,стр. 1228-1234.

42. Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники. М., Химия ,1984. 592с.

43. Коган В. С., Лунев В. М., Черняк Ю. М. и др. К вопросу об использовании цеолитов NaA, NaX, СаА и силикагеля КСМ в крио вакуумных устройствах. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика и техника высокого^ вакуума. Вып. 2(6), 1976.

44. Конюшкова А.Б, Зобков П.Н. К вопросу измерения малых потоков газа. В-сб. «Проблемы пищевой инженерии». СПб: СПбГУНиПТ, 2006г., стр. 106-107.

45. Кузьмин В.В., Левина Л.Е. и др. Вакуум-метрическая аппаратура техники высокого вакуума и течеискания. М: Энергоатомиздат, 1984г. — 240 стр.

46. Куприянов В. И., Макаров А. Mi, Исаев А. В. и др. Теория адсорбированного вакуумного насоса. Электронная техника. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. Л., 1975.

47. Куприянов В.И., Исаева A.B. и др. Адсорбционные вакуумные насосы. М: ЦИНТИХИМНЕФТЕМА1Ц 1980г. -35 стр.

48. Кушнир H.A., Лунев В.М. и др. Кинетика адсорбции N2, Ar и Н2 гранулами различных адсорбентов, охлажденных до температуры жидкого азота. «ЖТФ» , 1966 г, т.,XXXVI, №11, стр. 2075-2079.

49. Лазарев Б.Г. и Федорова М.Ф. Вакуумный адсорбционный насос. «ЖТФ» , 1959 г, т. XXIX, №7, стр. 862-865.

50. Лазарев Б.Г. и Федорова М.Ф. Вакуумный адсорбционный насос большой производительности. «ЖТФ» , 1960 г, т. XXX, №7, стр. 865-867.

51. Лыков A.B., Михайлова Ю.А. Теория переноса энергии и вещества. Минск.: АН БССР, 1959г.

52. Лыков A.B., Михайлова Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М-Л.: Госэнергоиздат, 1963 г.

53. Лыков А.В.Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967г.

54. Ляликов A.C. Расчет кожффициента теплопроводности сухого сыпучего зернистого материала. «Известия Томского политехнического института». ТЛЮ 1962 г., стр. 34-42.

55. Минайчев В.И. Вакуумные крионасосы. М: Энергия, 1976г. 152 стр.

56. Новицкий Л.А, Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник. М:Машиностроение 1975 г.-216 стр.

57. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М. -Л.: изд. «Энергия» 1964, 328 стр.

58. Оделевский В. И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. «ЖТФ» 1951, т.21, вып.6, стр. 667-685.

59. Пауков И.Е., Ковалевская Ю.А., Белицкий И.А Термодинамические свойства тетранатролитов при низких температурах. Электронный журнал « Исследовано в России». 1960 г., стр 1792-1798.

60. Платунов Е.С. Установка для изучения влияния нагрузки на теплопроводность зернистых систем в вакууме. « Известия Вузов, Приборостроение», 1967, т.З, №2, стр. 105-109.

61. Платунов Е.С. Метод определения теплопроводности порошковой и волокнистой изоляции как функции давления -газа-наполнителя; «ИЖФ» 1965, т.1Х, №6, стр. 751-756. '

62. Платунов Е.С. Методика скоростного определения температурной зависимости теплопроводности волокнистых и сыпучих материалов. «Известия Вузов, -Приборостроение», 1962, т.5, №1, стр. 110-117.

63. Платунов Е.С., Буравой С.Е., В.В. и др.Теплофизичесике измерения и приборы-— Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. — 256 стр.

64. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. Л.: Энергия, 1973. 144 стр.

65. Розанов Л:Н Вакуумная техника. М: Высшая школа, 1990г. — 320 стр.

66. Ромочкин Ю. Г. Исследование высоковакуумного адсорбционного насоса' с сорбирующими, панелями различной формы. Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МВТУ, 1982

67. Справочник по физико-технических основам криогеники. Под- ред. М. П. Малкова. М:: Энергоатомиздат ,1985. -432с.

68. Тимофеев Д. П. Кинетика адсорбции. М., Из-во АН СССР ,1962, 252с.

69. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник. — М.: Энергоиздат, 1982, 463 стр.

70. Тимофеев Д.П.-Кинетика адсорбции М.: изд. АН СССР, 1962г. -252 стр.

71. Уинздор Е. Цеолитовые сорбционные насосы. В сб. «Сорбционные. процессы в вакууме». Пер. с англ. Под ред. К.Н.Мызника. М.: Атомиздат, 1966 г., стр 279-283 .

72. Федорова М.Ф. Исследование физической адсорбции и ее практическое применение. В сб: << Физика и техника сверхвысокого вакуума». Под ред. F.Л.Саксаганского. Л.: Машиностроение, 1968. стр; 10-21.

73. Федорова М.Ф; Изотермы адсорбции газов на угле . БАУ при низких1. Q Г)температурах в области давлений ю-м 0" мм рт.ст. «ЖТФ» ,1963 г, т. XXXIII, №5, стр. 585-590.

74. Федорова М.Ф., Алиев А.Н. Изотермы адсорбции газов на силикагеле при низких температурах в интервале давлений 10"8-10"2 мм рт.ст. «ЖФХ» , 1964 г, т. XXXVIII, №4, стр. 989-992.

75. Хэфер Р. Крио-вакуумная техника. -М.: Энергоатомиздат ,1983. 272с.

76. Цедерберг Н. В. Теплопроводность газов и жидкостей. -М. -Л,:Госэнергоиздат, 1963. 408стр.

77. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. — М.: ФизМатгиз. — 1962. — 456 стр.

78. Черепнин Н.В. Сорбционные явления в вакуумной технике. М.: Советское радио, 1973г. -384 стр.

79. Шнайдер. П. Инженерные проблемы теплопроводнети. М; изд. иностр. лит.; 1960 г.

80. Юрчик Л.М., Каганер М.Г. Исследование новых типов цеолитов в условиях вакуума. В кн. Физика и техника вакуума. Казань, Казанский университет, 1974г. стр. 68-70.

81. Barycka By.I. Artificial zeolites application in vacuum technology. «Acta physica polonica» ,1969, v. 35. Nt, p.161-171.

82. Batzer Th.H., Mc. Farland R.H. Zeolite Gettering for the Production of Ultrahigh Vacuum. RSI, 1965 , v. 36, N 3, p.328-330.

83. Cheng D., Simpson J.P. Cryosorption pumps for high vacuum. «Instrument and Control System», 1966 , v. 39, N 9, p. 115-117.

84. Heminway B.S., Robie R.A. Thermodynamic properties of zeolites: low-temperature heat capacities. American Mineralogist 1984, v. 69, N 6, p.692-700.

85. Read P.L. Sorption Pumping al High and Uitra-High Vacuum. «Vacuum», 1963 , N 13, p.271-275.

86. Stern S.A. and Dipaolo F.S. The Adsorption of Atmospheric Gases on Molecular Sieves of Low Pressures and Temperatures. The Effect of Preadsorbed Watter. «Journal of Vacuum Seince and Technology», 1967 , v. 4, N 6, p.347-355.