I6JY2E~7 (Нестреров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов А.В. Методы расчета вакуумных систем)
Описание файла
Файл "I6JY2E~7" внутри архива находится в папке "Нестреров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов А.В. Методы расчета вакуумных систем". Документ из архива "Нестреров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов А.В. Методы расчета вакуумных систем", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "вакуумная и плазменная электроника" из 3 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "вакуумная и плазменная электроника (вакплазэл)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "I6JY2E~7"
Текст из документа "I6JY2E~7"
IV.4. Анализ криовакуумных условий в зоне вакуумной изоляции катушек
тороидального поля ИТЭР
Для обеспечения необходимых температурных и вакуумных условий работы система катушек тороидального поля ИТЭР (TFC) оборудована многоступенчатой системой вакуумной изоляции (VVTS). Тепловая изоляция вакуумной камеры (VVTS) предназначена для ограничения тепловых потоков, идущих от «теплой» вакуумной камеры (VV) на катушки сверхпроводящей электромагнитной системы установки (TFC).
VVTS располагается в зазоре между TFC и VV. Она представляет собой стальную тонкую оболочку с формой, повторяющей форму вакуумной камеры. Конструктивно тепловая защита состоит из внутренней и внешней частей.
Основной задачей данной работы является анализ влияния остаточной газовой среды на процессы теплообмена в зонах системы вакуумной изоляции катушек тороидального поля ИТЭР.
IV.4.1. Физические предпосылки и методология расчета
Анализируемая вакуумная структура в целом является термодинамически неравновесной. Строго говоря, это делает некорректными традиционные методы расчетов, базирующихся на использовании осредненных параметров состояния разреженной газовой среды (давление, температура) и производных от этих параметров количественных характеристик вакуумного оборудования (проводимость, быстрота откачки и т. п.).
Использование адекватных методов расчета, напротив, ориентировано на построение трехмерных полей дифференциальных характеристик газовой среды (молекулярная концентрация, плотности молекулярных потоков, и т. п.). Последовательное применение этих методов вызвало бы, однако, некоторые негативные последствия. Оно привело бы, во-первых, к практически неоправданной избыточности получаемой информации. Во-вторых, оно создало бы затруднения при ее интерпретации с позиции конечной целеустановки проектанта: оценить, насколько существенно влияние остаточной газовой среды на процессы теплообмена в криогенной области температур.
С учетом указанных обстоятельств при выполнении расчетов реализован комбинированный подход. При анализе молекулярного переноса в узких полостях, стенки которых имеют существенно различную температуру, применялись методы статистических испытаний (Монте-Карло) и эквивалентных поверхностей. В свою очередь, в приложении к изотермическим конструктивным элементам использовались «классические» категории и соотношения вакуумной техники (проводимость, перепад давлений и т. п.).
Как показывает многолетний опыт, разумное применение комбинированного метода расчета сложных неравновесных структур не приводит к существенным проектным ошибкам. При расчете систем с распределенной газовой нагрузкой и ограниченным числом стоков газа подобных анализируемой, погрешность составляет 5 – 7%, иногда 10%. При анализе структур, содержащих большое количество сорбирующих поверхностей, погрешность может достигать 15 – 25%. И лишь в крайне редких случаях, в зонах скачкообразной геометрической трансформации анализируемых структур, ошибка возрастает до 150 – 200%.
В сравнении с разбросом начальных значений десорбционной газовой нагрузки, который для рассматриваемой системы может достигать порядков данной величины, приведенные выше значения возможных погрешностей пренебрежимо малы.
IV.4.3. Общие условия расчетов
Все расчеты осуществлялись методом пробной частицы Монте-Карло. Часть расчетов потребовала применения классических соотношений вакуумной техники и метода эквивалентных поверхностей. В описаниях расчетов, где применялись данные подходы, есть соответствующие упоминания.
Проводился анализ распределения давления внутри межстенного пространства для следующих зон системы вакуумной изоляции:
-
VV–VVTS. Вакуумная камера – тепловой экран;
-
VVTS. Межстенное пространство внутри теплового экрана;
-
VVTS–TFC. Тепловой экран – система катушек тороидального поля. Данный расчет проводился с учетом дополнительного потока молекул из полости теплового экрана через перфорацию внутрь зоны VVTS–TFC.
Оценивались следующие температурные состояния:
-
Все компоненты при комнатной температуре.
-
Два эксплуатационных режима:
-
нормальный режим: VV при 420 К, TFC при 4 К, VVTS при
80-120 К. -
нагрев вакуумной камеры: VV при 520 К, TFC при 4 К, VVTS при 80-120 К.
-
Для всех проведенных расчетов использовались данные по геометрическим размерам из рис. IV.4.1 и IV.4.2.
Рис. IV.4.1. Система изоляции и значения зазоров при комнатной температуре – RT и (RT)
Рис. IV.4.2. Система изоляции и значения зазоров в рабочем режиме – OT и (OT).
Температурные режимы и соответствующие размеры, для которых проводились расчеты, показаны в табл. IV.4.1.
Температурные режимы и размеры, для которых проводились
расчеты
Таблица IV.4.1
| Размеры | Зона | ||
| VV–VVTS | VVTS | VVTS–TFC | |
| RT | 300 K – 300 K | 300 K – 300 K | 300 K – 300 K |
| (RT) | 300 K – 300 K | 300 K – 300 K | 300 K – 300 K |
| OT | 420 K – 120 K | 120 K – 80 K | 80 K – 4 K |
| (OT) | 420 K – 120 K | 120 K – 80 K | 80 K – 4 K |
В качестве единственного источника газовой нагрузки рассматривались десорбционные потоки водорода. Базовая величина удельной скорости газовыделения при температуре 80 К принята равной
1,3310-7 (м3Па)/(см2), что эквивалентно корпускулярному потоку 1,201014 част./(см2). Эта величина соответствует плотности десорбционного потока с поверхности высококачественной нержавеющей стали после продолжительной термовакуумной тренировки и близка к плотности десорбционного потока с поверхности полиамидной пленки. Для температур, отличных от 80 К, десорбционные потоки рассчитывались, исходя из близкого к экспоненциальному закону (табл. IV.4.2).
Значения удельного десорбционного потока для разных температур
Таблица IV.4.2
| T, K | Vc, м/с | q, (м3Па)/(см2) | q, част/(см2) |
| 80 | 917 | 1,33·10-07 | 1,20·1014 |
| 120 | 1124 | 2,10·10-07 | 1,90·1014 |
| 300 | 1777 | 1,33·10-06 | 1,20·1015 |
| 420 | 2102 | 4,53·10-06 | 4,10·1015 |
| 520 | 2339 | 1,33·10-06 | 1,20·1016 |
При моделировании эти потоки учитывались следующим образом. Для каждой поверхности, составляющей систему, была рассчитана площадь, далее, зная температуру этой поверхности, находился удельный поток частиц с нее. Значение полного потока с данной поверхности Qi [част./с] находилось умножением удельного потока для этой поверхности на ее площадь:
.
После определения значений полных потоков молекул для всех поверхностей, эти значения суммировались, и получалось значение полного потока газа, натекающего в систему. Общее число пробных частиц (N = 1000 или N = 10000) выражает значение полного потока газа, натекающего в систему. С каждой из поверхностей, составляющих систему, запускалось число частиц, пропорциональное доле полного потока с данной поверхности по отношению к полному потоку натекающего газа:
.
С нагретой поверхности, естественно, стартовало больше частиц, чем с холодной, и полный поток зависел не только от площадей поверхностей системы, но и от их температур.
Площади поверхностей, составляющих систему:
-
площадь поверхности вакуумной камеры – 1850 м2;
-
площадь поверхности экрана (считая внутреннюю часть полости) – 1980 м2;
-
площадь поверхности экрана (считая внешнюю часть полости) – 1980 м2;
-
площадь поверхности катушки – 1273 м2;
-
площади полостей экрана: внутренняя – 1400 м2, внешняя – 1400 м2.
IV.4.3. Расчет проводимости патрубков VVTS и лабиринтных соединений
Под термином «патрубок VVTS » понимаются каналы, по которым происходит откачка газа из межстенного пространства всех зон. Патрубок VVTS представляет собой систему, состоящую из двух коаксиальных цилиндров, которые одной стороной прикрепляются к откачиваемой зоне, а другой стороной прикрепляются через лабиринтные соединения к системе откачки. На рис. IV.4.3 и IV.4.4 показаны схемы лабиринтных соединений при комнатной и рабочей температурах соответственно.
Аналогично подходу, использованному при определении размеров зазоров межстенного пространства системы вакуумной изоляции задаются размеры лабиринтных соединений. На рис. IV.4.3 и IV.4.4 показан один «плавающий» размер (230 – 200 мм), определяющий величину зазора (50 – 80 мм). Таким образом, размеры лабиринтного соединения, отвечающие комнатной температуре (рис. IV.4.3) и «плавающему» размеру 200 мм, (зазор 80 мм) соответствуют режиму RT, «плавающему» размеру 230 мм (зазор 50 мм) – режиму (RT). Аналогично, для рабочей температуры (рис. IV.4.4) и «плавающего» размера 200 мм (зазор 80 мм) – режим OT, для рабочей температуры (рис. IV.4.4) и «плавающего» размера 230 мм (зазор 50 мм) – режим (OT).
Рис. IV.4.3. Схема лабиринтных соединений и размеры при комнатной температуре
Рис. IV.4.4. Схема лабиринтных соединений и размеры при рабочей
температуре
Для расчета всей системы патрубков VVTS (коаксиальные цилиндры + лабиринтные соединения) лабиринтные соединения были заменены на эквивалентные поверхности, имеющие коэффициенты прилипания, равные коэффициентам Клаузинга соответствующих лабиринтных соединений (рис. IV.4.5).
При сопряжении лабиринтных соединений с коаксиальными цилиндрами использовались размеры соответствующих режимов с рис. IV.4.1 и IV.4.2.
Значения результирующего коэффициента Клаузинга для всего патрубка VVTS для разных режимов показано в табл. IV.4.3.
