Диссертация (1025195), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Экспериментальное определение величины теплопритока к жидкомугелию в криостатеВ качестве криостата был выбран гелиевый Дьюар фирмы Messer, модельStratos 305 MR. Вакуум в многослойной изоляции был восстановлен откачкой снагревом до значения 10-1 Па.Таблица 16.Паспортная характеристика сосуда Дьюара Messer Stratos 305 MRНомер46832Объем, л324Масса пустого, кг233,6Масса нетто, кг38,5Год выпуска1999Максимальное избыточное рабочеедавление, барМинимальная температураэксплуатации, °C1,5/-1-269При использовании вакуумной откачки паров насыщенной жидкости длядостижения необходимой температуры возможно уменьшение уровня жидкогогелия в Дьюаре до 50 % от максимального.

Таким образом, на высоту колонныи слоя жидкости для обеспечения термостатирования конденсатора колонны, входе проведения эксперимента, приходится ~500 мм. Исходя из высоты слояхладоносителя (жидкого гелия в криостате) для проведения эксперимента идиаметра горловины криостата допустимые максимальные габариты колонны— 300 мм высота и 70 мм диаметр (Рисунок 3.1).После откачки вакуумной изоляции криостата необходимо было101определить мощность теплопритоков к жидкому гелию при установленной внем колонне.

От значения теплопритоков зависит эффективность изоляции имаксимальная полезная мощность на температурном уровне эксперимента.Рисунок 3.1. Схема Дьюара и его внутренней полостиДьюар располагался на напольных весах в цеху жидкого гелия. Изразности показаний весов были получены значения испаряемости отноминального объема Дьюара (324 л) в сутки и мощность теплопритоков.Средняя скорость испарения гелия сразу после наполнения «теплого»Дьюара (соответствует значению испаряемости 2,41 % от номинального объемав сутки):102Qиспн(298,35кг  297,55кг ) м3 0,324 л / ч(24  13, 25  9)ч 125кг(3.1)0,324 л 125кг 20,8 Дж 3  0,234 Втчмг(3.2)Qтпн Средняя скорость испарения гелия через 24 ч после наполнения«теплого»Дьюара(соответствуетзначениюиспаряемости1,82 %отноминального объема в сутки):(297,55кг  297,35кг ) м3Qисп 24  0,246 л / ч(15,5  9)ч125кгQтп 24 (3.3)0,246 л 125кг 20,8 Дж 3  0,178Втчмг(3.4)Средняя скорость испарения гелия через 48 ч после наполнения«теплого»Дьюара(соответствуетзначениюиспаряемости1,57 %отноминального объема в сутки):(297,35кг  294,3кг ) м 3Qисп 48  0, 212 л / ч(24  15  424  10)ч 125кг(3.5)0, 212 л 125кг 20,8 Дж 3  0,15Втчмг(3.6)Qтп 48 Среднее «паразитное» значение мощности теплопритока, принятое вдальнейших расчетах, 150 мВт.3.2.2.

Расчет и комплектование вакуумной системы для обеспеченияэкспериментаВ качестве метода термостатирования конденсатора ректификационнойколонны, при температуре ниже 2 К, была выбрана вакуумная откачка паровнасыщенного жидкого гелия в криостате. Внутренняя полость Дьюара MesserStratos 305 представляла откачиваемый объем (О.О.). Этот метод являетсянаиболее технологичным и легко осуществимым в лабораторных условиях.Из оценок значений числа Кнудсена для гелия, находящегося в трубе,следует, что течение гелия в трубе следует считать вязкостным ламинарным, а103среду в трубе (гелий) - сплошной средой.Рисунок 3.2. Граничные условия расчета вакуумной арматурыДля этих условий уравнение Дарси-Вейсбаха имеет вид:p 64 V 2x Re 2d(3.7)pV 32 2 xd(3.8)4G d 2(3.9)илиПринимая во внимание, чтоVгде G – массовый расход гелия в трубе, кг/с,p 128 G x  d 4 (3.10)Зависимость динамической вязкости (η) от температуры можно выразитьформулой Кеезома [57]:  5,023107 T 0,647 (Па с)(3.11)Отсюда:pp 0,0425G T 1,647 x4d(3.12)0,085G T 1,647 x4d(3.13)или( p2 ) После интегрирования по всей длине трубы (Рисунок 3.2):104L0,085p p G   T 1,647x4d0202н(3.14)Уравнение связывает расход G гелия с его давлением на входе в насос рн .В то же время, по определению:G  103 W   н(3.15)где W – быстрота действия насоса, л/с,, ρн- плотность гелия на входе в насос.pн  103RTнGW(3.16)После подстановки полученного выражения:LRTнG 2 0,085p  (10) G   T 1,647 x4Wd0203(3.17)Искомая зависимость G=f(W) может быть получена аналитическим иличисленным решением данного уравнения при назначенных значениях р0,Т0=Tx=0 , Тн=Tx=L , d, L и Т=f(x).Для упрощения решения данной задачи может быть назначеназависимость Т=f(x), например:T  T0  (Tн  T0 )xL(3.18).Минимально-возможное давление при осуществлении термостатированияметодом откачки паров4He - 470 Па, что соответствует температуренасыщенных паров 4He 1,5 К.

Для исключения загрязнения паров гелия масломи последующей очистки можно использовать безмаслянные вакуум-насосы.Мембранные насосы не рассчитаны на необходимую быстроту откачки,поэтому в дальнейшем расчет ведём для выбора поршневого золотникового,винтового или спирального безмаслянного вакуум-насоса.Heобходимо рассмотреть два режима работы:- захолаживание ванны с жидким гелием, при откачке паров отатмосферного давления и температуры 4,2 К до давления 470 Па и температуры1,5 К;- стационарный режим работы при поддержании давления в 470 Па и105температуры 1,5 К.При проектировании вакуумной системы откачки паров жидкого гелиянужно решить оптимизационную задачу между требованиями вакуумной икриогеннойтехники,которыевданномслучаеявляютсяпрямопротивоположными.

Со стороны уменьшения потерь холода патрубки иарматура должны иметь наименьшее эффективное сечение и наибольшуюдлину, так же рациональным будет установка теплообменников-рекуператоров,для использования низкотемпературного холода откачиваемых паров. Дляэффективнойработывакуумнойсистемынеобходимообратное.Длянаибольшей проводимости патрубки должны иметь как можно большийдиаметр и наименьшую длину, с минимальным количеством дополнительныхэлементов, ухудшающих проводимость (вентиля, колена, диафрагмы и т.д.).Эффективный рекуперативный теплообменник в вакуумной системепрактически невозможно создать, так как гидравлическое сопротивление иконфигурация каналов теплообменника потребует практически бесконечнобольшой быстроты откачки вакуумного насоса.

Так же сам насос работает притемпературе окружающей среды, что делает необходимым подогрев паровгелия на линии откачки перед входом в насос.Оптимизацией задачей являлось проектирование вакуумной системы сучетом наименьших теплопритоков к О.О. и организацией подогрева паров присохранении необходимой проводимости системы.Зная параметры гелиевой ванны и тепловой изоляции, необходимо былоопределить расход паров гелия при откачке в стационарном режиме и режимезахолаживания.Исходяизусловийэксперимента,былаподобранаиспроектирована линия вакуумной откачки паров, получены параметры дляподбора вакуум-насоса (давление и быстрота откачки).

Так же необходимобыло произвести поверочный расчет и растет времени откачки призахолаживании.В качестве вакуумного насоса для осуществления откачки паровнасыщенного гелия рассматривалась серия вакуумных золотниковых агрегатов.106Был выполнен расчет быстроты откачки вакуумной системы в зависимости отрабочих параметров и модели вакуумного насоса:Heобходимо определить массовый расход гелия, откачиваемого по трубеиз криостата вакуумными насосами.

Температура гелия во входном сечениитрубы 5 К, на выходе 273 К. Давление в О.О. равно давлению насыщенныхпаров гелия при температурах: 1,7 К, 1,8 К, 1,9 К. Диаметр трубопровода равендиаметру всасывающего патрубка. Примем, что температура паров равномерноповышается по длине трубопровода. Длина трубопровода 10 м.Для расчета были приняты следующие параметры:- Тв=5 К - температура гелия во входном сечении трубы;- Тн=273 К - температура на всасывании насоса;- lтр=10 м - длина трубопровода.P1=8,59 Торр=1145 Па-давление на входном сечении трубы при Тнп=1,7К.P2=12,47 Торр=1663 Па - давление на входном сечении трубы при Тнп=1,8 К.P3=17,48 Торр=2330 Па - давление на входном сечении трубы при Тнп=1,9 К.Рисунок 3.3.

Откачная характеристика насосов серии АВЗ107Режим течения:k Td тр  p   2  2(3.19)Дж273ККKn  4,610 49240 мм 8,59Торр  (0,210 м)  2(3.20)Kn 1,3810 23 значение соответствует вязкостному режиму течения (параметры для расчетапоказывают максимально возможное число Кнудсена в системе Kn  102 ).Расчет проводимости системы:Проводимость длинного прямолинейного трубопровода круглого сечения4 d тр pсрU128lтр (3.21)где dтр - диаметр трубопровода, pср - среднее давление в трубопроводе,  динамическая вязкость, lтр=10м - длина трубопровода.Значения динамической вязкости взяты приближенно по сравнению спараметрами при давлении 10 кПа (зависимость значения вязкости от давленияпри температурах свыше 15 К незначительны).Для расчета труборовод разделен на 5 участков и посчитана суммарнаяпроводимость:Таблица 17.Проводимость участков вакуумной арматуры№ участкаПроводимость, л/с1234579954135312924312033111U  U1 U 2(3.22)U 20.1 5 d 204  P1л7995128lтр 4510 7  Па сс(3.23)U 20  (11111 1)U 20.1 U 20.2 U 20.3 U 20.4 U 20.5(3.24)108Основное уравнение вакуумной техники:111S S нас U(3.25)где, S - быстрота откачки всей системы, Sнас - быстрота откачки насоса, U суммарная проводимость арматуры.SSнас USнас  US20.P1  ((3.26)11 1л)  19,4S20 U 20.P1с(3.27)Массовые расходы:Gm.20.

P1  S20.P1   P1  0,039гс(3.28)Проверка расчета:Примем поток газа Q постоянным во всем трубопроводе, и аналогично,разбив на 5 участков, просчитаем систему от насоса к О.О.P6н=1100 Па - принимаем давление на всасывании насосаQ20. P1  S 20  P6 н  22Па  м 3сQ  U 5 (P5  P6 )  D 4  pсрU4,5410 2  M Q128  L(1 )  R T  Lpср P6  P52  D 4 ( P6 н  P5 )U4,5410 2  M Q256  L(1 )  R T  LP5 Q P6U5(3.29)(3.30)(3.31)(3.32)(3.33)(3.34)109Таблица 18.Характеристика насосов серии АВЗНасосАВЗ-АВЗ-АВЗ-АВЗ-АВЗ-АВЗ-АВЗ-20Д63Д90125Д18030050040100100100100160160206390125180300500S20S63S90S125S180S300S500P1=8,59, Торр19,462,889,7124,4178,7379,1558,1P2=12,47, Торр19,662,989,8124,6179,1379,4558,7P3=17,48, Торр19,762,989,8124,7179,4379,6559U20U63U90U125U180U300U500Диаметрывсасывающихпатрубков, ммБыстротадействиянасосов, л/сБыстротадействиясистемы, л/сСуммарнаяпроводимостьсистемы, л/сP162924,6161P291335,7234P3128050328МассовыйG20G63G90G125G180G300G500P10,0390,1270,1820,2530,3630,771,133P20,0570,1840,2630,3650,5251,1121,637P30,0810,2590,3690,5130,7371,562,297расход, г/с110Проводимость на пятом участке:Q)U5U5 4,5410 2  M Q256  L(1 )  RT  L  D 4 (2P6 н (3.35)  177107 Пас;lL  тр ;5гM 4;мольQ  Q20.P1;ДжR  8,314;моль КТ  250 К ;D  d 20 ;4,54102  M Q256  L(1 )  RT  L2U5 ()  U 5  2 P6 н  Q  0 D4(3.36)Вариант расчета для p1.

Характеристики

Список файлов диссертации