автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Криосорбционные насосы и устройства с пористыми экранами

Введение

ШАБА I. КОНСТРУКЦИЙ КРИОСОРБЦИОННЫХ ВАКУУМНЫХ

УСТРОЙСТВ

1.1. Основные направления совершенствования криосорбционных устройств

1.2. Форвакуумные криосорбционные устройства с открытой поверхностью адсорбента

1.3. Высоковакуумные криосорбционные устройства с открытой поверхностью адсорбента

1.4. Криосорбционные устройства с пористыми экранами

1.5. Основные задачи исследования

Выводы

ГЛАВА 2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ОБОЛОЧКЕ

АДСОРБЦИОННОЙ ПОЛОСТИ

2.1. Основные допущения и предпосылки исследования

2.2. Цилиндрическая криосорбционная кассета

2.3. Плоская криосорбционная кассета

2.4. Оценка погрешности вариационного приближения

2.5. Сферическая криосорбционная кассета 63 Выводы

ГЛАВА 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В СЛОЕ

АДСОРБЕНТА

3.1. Основные допущения и предпосылки исследования

3.2. Поле температуры в цилиндрическом слое адсорбента

3.3. Поле температуры в плоском слое адсорбента

3.4. Поле температуры в сферическом слое адсорбента

3.5. Оценка погрешности поля температуры в слое адсорбента

3.6. Эффективность охлаждения слоя адсорбента

Выводы

ГЛАВА 4. ОТКАЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИОСОРБЦИОННЫХ

УСТРОЙСТВ

4.1. Проблема криостатирования адсорбентов

4.2. Экспериментальная установка и методика проведения исследований ПО

4.3. Статика адсорбции на вакуумных цеолитах

4.4. Ресурс работы криосорбционных устройств

4.5. Оценка погрешности эксперимента и точности расчетной методики

4.6. Оптимизация геометрических параметров криосорбционной панели

4.7. Разработка криосорбционных вакуумных систем

В последнее время все большее внимание уделяется вопросам повышения качества выпускаемых изделий и промышленного оборудования. Главным резервом повышения качества является совершенствование технологии производства,в частности,в направлении повышения чистоты среды, сопровождающей протекание технологического процесса.

Широкое распространение получили технологические процессы, ведущиеся в условиях вакуума. Так,например,при производстве высоколегированных сталей и сплавов качество плавки находится в прямой зависимости от уровня и чистоты вакуума над жидкой поверхностью металла. Срок службы электронных приборов и стабильность вольт-амперных характеристик определяются вакуумом и спектром остаточных газов,сопровождающим тренировку прибора. Успешность космических полетов в решающей степени зависит от совершенства имитационных испытаний,качество которых во многом определяется чистотой и уровнем вакуума. Наконец развитие и совершенствование криогенного оборудования требует разработку эффективных средств вакуумной тепловой защиты.

Получение "чистого" вакуума, т.е. без углеводородов в спектре, достигается применением средств безмасляного вакуумирования,к которым относятся криосорбционные вакуумные насосы.

Эффективность криосорбционных вакуумных средств откачки подтверждена многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями, широкой практикой использования для вакуумирования лабораторных приборов и промышленным применением для поддержания вакуума в теплоизоляционных полостях криогенного оборудования.

Однако, интенсивному промышленному внедрению криосорбционных наоооов в вакуумную технику препятствовало отсутствие надежных и эффективных средств тепловой защиты адсорбционного слоя, обладающих достаточной молекулярной проводимостью и позволяющих создавать насосы для широкого диапазона давлений,технологичные в изготовлении, с минимальными габаритами и металлоемкостью.

Настоящая работа посвящена исследованию криосорбционных вакуумных насосов с оптически непрозрачными пористыми экранами в качестве средства тепловой защиты [2,3,31] . Применение пористых экранов позволило создать целый класс криосорбционных насосов от малогабаритных с быстротой откачки 10-20 л/с до мощных насосов с быстротой действия более 100.000 л/с. Насосы технологичны, компактны, имеют устойчивую рабочую характеристику в широком диапазоне давлений. Опыт разработки, исследования и эксплуатации насосов с пористыми экранами лег в основу настоящей работы.

В работе решались следующие научные и практические задачи:

- исследование температурных полей в адсорбционных слоях применительно к промышленным условиям их работы в насосах;

- проведение экспериментальных работ по установлению взаимосвязи емкости адсорбентов с температурой;

- разработка на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований методики расчета промышленных криосорбционных устройств и насосов;

- проведение оптимизации основных рабочих элементов криосорбционных насосов;

- разработке рекомендаций по проектированию промышленных насосов для широкого диапазона рабочих параметров.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Проведён анализ криосорбционных устройств и выявлены основные направления их усовершенствования : а) создание специализированных вакуумных адсорбентов ; б) интенсификация условий теплообмена в слое адсорбента; в) создание высокоэффективных средств тепловой защиты.

2. Разработаны конструкции криосорбционного элемента на основе пористого теплозащитного Э1фана, имеющие по сравнению с лучшими вариантами криосорбционных элементов следующие преимущества : а) диапазон рабочих давлений расширен на 4 порядка ; б) габариты сокращены более чем в два раза ; в) время выхода на рабочий режим сокращено более чем втрое ; г) потери криогенного продукта уменьшены в два раза ; д) могут применяться адсорбенты любой прочности и грануляции вплоть до порошковых.

3. Проведено теоретическое исследование поля распределения температуры в оболочках адсорбционных полостей плоской, цилиндрической и сферической криосорбционных кассет. Показано, что полученные функции распределения температуры могут служить граничными условиями дня решения стационарной и нестационарной задач теплопроводности в слое адсорбента.

Проведен анализ полученных соотношений и показано : а) степенная зависимость, основанная на вариационном методе, удовлетворительно описывает поле температуры только при 2 ; б) вариационное приближение даёт в 8-10 раз более высокую точность, чем приближение, полученное путём разложения точного решения в ряд Маклорена.

4. С помощью вариационного метода получено решение задачи стационарной теплопроводности в слое адсорбента для базисных вариантов криосорбционных кассет - плоской, сферической, цилиндрической. Предложен метод конструирования пробной функции для этого класса задач на основе функции распределения температуры схожей одномерной задачи подставляются функции распределения температуры на границах кассеты, а функция, определяемая геометрией системы, сохраняется, но берётся в степени $

5. Введён показатель эффективности охлаждения адсорбента в панели и показано : а) наивысшим показателем эффективности обладают адсорбенты порошковой консистенции У] = 0,5 , а наименьшим но вместо граничных температур Р углеродные адсорбенты б) показатель эффективности адсорбентов с прямой температурной зависимостью коэффициента теплопроводности обратно пропорционален температуре и наиболее эффективны будут системы на жидком гелии или водороде, а адсорбентов с обратной зависимостью прямо пропорционален температуре, т.е. , наиболее эффективны будут системы на сжиженных природных газах ; в) наибольшая величина показателя эффективности 0,66 может быть достигнута в случае засыпки в пространство меящу гранулами адсорбента порошков металлов высокой чистоты, как имеющих обратную зависимость коэффициента теплопроводности от температуры.

6. Экспериментально исследована адсорбция на вакуумных цеолитах СаЕН и СаА-4В и показано : а) в области малых заполнений адсорбционного пространства, адсорбция подчиняется для 0<О,1 уравнению Генри, а в области больших заполнений уравнению Дубинина-Радушке-вича. Найдены эмпирические константы уравнений.

Исследование термических уравнений адсорбции показало : а) для области малых 0 характерна сильная зависимость емкости от температуры - каждые 2-3 градуса приводят к изменению емкости вдвое.

Наиболее сильна эта зависимость для азота. Для кислорода и аргона влияние температуры на сорбцию одинаково.

При температуре жидкого азота емкости азота, кислорода и аргона соотносятся как 85:10:1 соответственно - это соотношение не зависит от давления ; б) для области больших заполнений 00,1 отмечается значительно ослабление зависимости емкости от температуры. Так для того, чтобы изменить емкость вдвое необходимо изменить температуру на 20-25 градусов. У вакуумных цеолитов температурная зависимость слабее, чем у общепромышленных образцов.

Сформулирована методика расчета откачных характеристик криосорбционных устройств, состоящая из следующих основных этапов : а) определение поля температуры в оболочке адсорбционной полости ; б) определение поля температуры в слое адсорбента ; в) определение ресурса работы криосорбционного устройства ; г) оценка доверительного интервала ресурса.

8. Проведена оптимизация геометрических соотношений криосорбционной панели по критерию металлоёмкости. Получены уравнения для определения толщин криогенной панели и пористого экрана, сообщающих конструкции насоса минимальную металлоемкость.

Показано, что оптимальная толщина медных пористых экранов не превосходит 2 мм для конструкций с изотермической криогенной поверхностью.

9. Проведена оценка погрешности экспериментов и точности методики расчета. В результате установлено : а) в области малых заполнений методика даёт погрешность, которая зависит от термических параметров адсорбции и имеет доверительный интервал с полушириной, не превышающей 35$ при доверительной вероятности 95$ ; б) в области больших заполнений методика даёт значение ресурса с полушириной доверительного интервала меньшей

1% [/р при доверительной вероятности 95$ .

10.ж Результаты диссертационной работы внедрены в НП0"Криоенмаш" при проектировании и расчете высоковакуумных криосорбци-)нных насосов с пористыми экранами (черт. 2082 364247 4104 007, >082 364832 9701 001,2082 364247 45001 003),при разработке руководящего технического материала РТМ 2082-28-81, при проектировании шстем хранения и транспортировки криогенных продуктов: РЦВ-22Д0, ЭЦВ-25Д ,5, РЦВ-40/22 ,РДГ-100/5, РЩ>250Д0, при создании адеорб-доонннх секций криогенных трубопроводов.

Экономический эффект,полученный от внедрения результатов работы только при создании адсорбционных секций (черт. 2082 364253 1017, 2082 364253 4010) составил 82 тыс рублей. ж Совместно с В.И.Куприяновым.

1. A.c. 177024 (СССР) Адсорбционный насос /Авт.изобрет.

2. A.Л.Донде.-Заявл. 21.06.62, № 783852/ 24-6; Опубл. в Б.И. , 1965, # 24, МКИ 04; 27 ; 201.УДК 533.583.2 .

3. A.c. 449172 (СССР) Криоадсорбционный насос /Авт. изобрет. В.П.Беляков, А.В.Исаев, В.И.Куприянов и др. Заявл. 12.07.72, № 1811784/ 23-26; Опубл. в Б.И. , 1974, № 41, МКИГО4037/О2 - В сведениях перед текстом также: авт.изобрет.

4. B.В.Леонов, В.П.Лунчев, А.М.Макаров, Н.В.Филин. УДК 621.576.7 (088.8).

5. Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита. Пер. с англ. А.Л.Клячко и др. М.: Мир, 1976. - 781 с. - Библиогр.в конце глав.

6. Вакуумметр ионизационно-термопарный типа Вит-2. Техническое описание, инструкция по эксплуатации и паспорт ЕХЗ.339.074. ТО.

7. Водородный криоконденсационный насос /Е.С.Боровик, Б.Г.Лазарев, М.Ф.Федорова, Н.М.Цин. Украинский физический журнал, 1957, т.2, Л 2, с.175-182.

8. Волчкевич А.И. Высоковакуумные адсорбционные насосы. М. ; Машиностроение, 1973. - 158 с. - Библиогр. с. 151.

9. Высокоэффективный криосорбционный насос новой конструкции /В.П.Беляков, А.В.Исаев, В.И.Куприянов, В.В.Леонов/ В кн.: Вопросы современной криогеники. Москва, 1975, с. 341-359.

10. Де-Бур Я. Динамический характер адсорбции. Пер. с англ. под ред. В.М.Грязнова. И.: Изд-во иностр. лит-ры, 1962. - 290 с. - Библиогр. с. 288.

11. Дубинин М.М. и др. 0 применимости потенциальной теории к адсорбции газов и паров синтетическими цеолитами №.М.Дубинин, З.А.Жукова, Н.В.Кельцев. В кн.: Синтетические цеолиты. Получение, исследование и применение. - М. : Изд-во АН СССР, 1962. - с.7-17.

12. Исаев A.B. и др. Исследование процессов теплопере-носа в высоковакуумных адсорбционных насосах /А.В.Исаев, В.И.Куприянов, В.К.Григорьев. Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика и техника высокого вакуума. Харьков, ХФТИ, 1974, вып. 2(3), с.9-15.

13. Исаев A.B., Куприянов В.И. Исследование взаимосвязи адсорбционных характеристик вакуумных цеолитов с температурой. Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика и техника высокого вакуума. Харьков, ХФТИ, 1977, вып. 2(8), с.57-59.

14. Исаев A.B., Куприянов В.И. Теплопроводность засыпки вакуумного цеолита. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Общая и ядерная физика. Харьков, ХФТИ, 1979, вып. 1(7),с.36-38.

15. Каганер M.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.: Машиностроение, 1966. - 275 с. - Библиогр. с 268-273.

16. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. Пер. с нем. С.В.Фомина. 3-е изд., исправл. - М. : Наука, 1965, - 704 с.

17. Канторович Л.В., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа. 5-е изд., исправл. - М. - Л.: Физматгиз, 1962. - 708 с. - Библиогр. с. 698-708.

18. Крестьянников В.И. Обработка результатов измерений. М.: МВТУ, 1976. - 195 с.

19. Кричевский И.Р. Понятия и основы термодинамики. М.: Химия, 1970. - 440 с. - Библиогр. в конце глав.

20. Криосорбционный насос для вакуумирования крупных камер /В.И.Куприянов, А.В.Исаев, В.М.Ермохин, С.М.Чопов. -Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика и техника высокого вакуума, Харьков, ХФТИ, 1977, вып. 2(8), с.72-73.

21. Курс физической химии. T.I: Учеб. пособие для ун-тов Я.И.Герасимов, В.П.Древинг, Е.Н.Еремин и др.: Под ред. Я.И.Герасимова М.: Химия, 1963. - 624 с.

22. Малогабаритный криосорбционный насос /А.В.Исаев, В.И.Куприянов, В.П.Лунчев, С.М.Чопов Вопросы атомной науки и техники. Сер. Общая и ядерная физика, Харьков, ХФТИ, 1979,-вып. 1(7), с.32-35.

23. Мартинсон E.H. и др. Новые форвакуумные цеолитовые насосы и агрегаты промышленного типа для безмасляной откачки. Е.Н.Мартинсон, Б.П.Плечнев, А.И.Миронов Приборы и техника эксперимента, 1968, № 2, с.160-162.

24. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи 2-е изд., стереотип.- М.: Энергия, 1977 - 344 с. - Библиогр.с.366-341.

25. Мышкис А.Д. Математика для втузов. Специальные курсы: Учеб. пособие для втузов . М.: Наука, 1971 632 с -Библиогр. с.621-625.

26. Оптимальные задачи надёжности. Ф.Москвиц, Дж.Маклин, Р.Беллман и др.: Пер. с англ.; Под ред. И.А.Ушакова М.: Изд. стандартов, 1968 - 292 с. - Библиогр. в конце разделов.

27. Пипко А.И. и др. Конструирование и расчёт вакуумных систем /А.И.Пипко, В.Я.Плисковский, Е.А.Пенчко 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979 - 503 с. - Библиогр.с.496-500.

28. Пошкус Д.П. Молекулярная теория адсорбции при небольших заполнениях поверхности: Автореф. дис. на соиск. учён, степени д-ра хим. наук. Специальность 02.073 Физическая химия - М., 1972. - 40 с - (МГУ) .

29. Равикович В.А., Стрелков Л.Н. Вакуумно-порошковая изоляция трубопроводов для сжиженных газов Кислородная промышленность (Обзоры), 1964, вы.4, с.6-15.

30. Радушкевич Л.В. К вопросу о теории уравнения изотермы сорбции паров на пористых сорбентах так называемого первого структурного типа В кн.: Цеолиты, их синтез, свойства и применение. М.-Л., Наука, 1965, с.25-30.

31. Справочник по физико-техническим основам криогеники /Под ред.М.П.Малкова 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1973 - 322 с. - Библиогр. с.365-387.

32. Панаева С.А., Домород Л.С. Теплопроводность дисперсных систем. В кн.: Тепло- и массообмен при низких температурах. Минск, Наука и техника, 1970, с.74-81 .

33. Тимофеев Д.П. Кинетика адсорбции М.: Изд-во АН СССР, 1962, 252 с. - Библиогр. в конце глав.

34. Шенк I. Теория инженерного эксперимента. Пер. с англ. Е.Г.Коваленко; /Под ред. Н.П.Бусленко М.: Мир, 1972,- 384 с. Библиогр. в конце глав.

35. Шехтер P.C. Вариационный метод в инженерных расчетах. Пер. с англ. В.Д.Скаржинского; /Под ред. А.С.Плешанова.- М.: Мир, 1971 291 с. -Библиогр. с.289 .

36. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А. Контактный теплообмен. Теплопередача между соприкасающимися металлическими поверхностями M.-JI.: Госэнергоиздат, 1963, - 144 с. - Библиогр. с.142-144 .

37. Batzer Т.Н.»MeFarland R.H. Gas Adsorption on Zeolitsto obtain UIIV.- Rev. of Sci.Instr.,1966,v.36, 3 p.328-33o.

38. Danielson,P.M. Aluminium Sorption Roughing Pump for Small Vacuum System. J.Vac.Sci. and Technol.,1970,v.7 ,5,p527~ 530.

39. Kiselev A.V. Molecular Sieve Zeolits-Adv. in Ghem. Ser.102,1971 , 102/2 ,p.37-68.

40. Ross S.,Oliver J.P. On Physical Adsorption-Hew York,1964,p.401.

41. Stern S.A. Dipaolo P.S. Cryosorption Pumping of Air on Molecular Sieves at 77K. The Ultimate Achieveble Vacuum-J.Vac. Sci.Tech.,1969, v. 6 ,6,p.941-950.

42. Stern S.A.,Hemstreet R.A.,Ruttenburg D.M. Cryosorption Pumping of Hydrogen at 20K. J.Vac.Sci.Tech.,1966,v.3,3,p.99.

43. Vijendran P. Design and Perfomance Characteristics of Sorption pumps.-Vacuum,1971,v.21, 5, p.159-164.