Расчетная работа по водороду. Университет итмо

• Название: Университет итмо
• Анкор: Расчетная работа по водороду
• Дата: 29.11.2022
• Размер: 159 Kb.
• Имя файла: raschetnaya_rabota.docx
• Тип: Документы; #819836

Университет ИТМО

РАСЧЕТНАЯ РАБОТА

по дисциплине: Вакуумные техника и технологии

Расчет криоконденсационного вакуумного насоса

наливного типа

Выполнил: студент гр. W42401

Жиров Д.А.

Проверил: Кравченко Д.В.

Санкт-Петербург

2022

РАСЧЕТНАЯ РАБОТА

В качестве объекта расчета взят вакуумный насос, показанный на рисунке 1.




Рис.1. Расчетная схема крионасоса наливного типа:

1 − корпус, 2 − фланец, 3 − конденсатор, 4 − азотный экран, 5 − оптически плотный экран шевронного типа,

6, 7, 8, 9, 10 − трубки для подвески конденсатора

Насос состоит из корпуса 1 с фланцем 2 для подсоединения к откачиваемому объекту. Внутри корпуса расположен откачивающих элемент − конденсатор 3, выполненный в виде цилиндрического сосуда из нержавеющей стали, и азотный экран 4, представляющих собой кольцевой сосуд также из нержавеющей стали. К нижней части сосуда 4 припаян оптически плотный экран 5

шевронного типа с углом раскрытия пластин 120^о. Размеры элементов насоса даны на рисунке. Трубки для подвески конденсатора и экранов имеют следующие размеры:

6 − Ø 28 х 0,8;

7 − Ø 24 х 1,5;

8 − Ø 16 х 0,5;

9 − Ø 24 х 0,8;

10 − Ø 16 х 0,5.

Трубка 7 выполнена из меди, а остальные из стали 12Х18Н10Т.

Определить периодичность дозаправки криоагентами конденсатора τ₁ и азотного экрана τ₂, если давление рв откачиваемом объеме остается в течение всего процесса откачки постоянным и равным 10^–3Па. Откачиваемый газ − азот.

Расчет насоса

Определение быстроты действия насоса

1. 
   Площадь входного отверстия, занятого азотным экраном шевронного типа
   

_' D
_ 2

А_э² 

4

3,14 0,7²



0,38 м²,

4

2. 
   По рис. 2.4 находим пропускную способность экрана: ξ=0,27 и коэффициент пропускания теплового излучения η=2,5∙10^–3, полагая степень черноты пластин экрана ε'_э=0,9.
   
3. 
   Можно считать, что все молекулы, прошедшие за шевроный азотный экран, буду захватываться конденсатором с вероятностью, равной единице. Тогда быстрота действия насоса определяется проводимостью указанного экрана
   

S 36,4   A'_э

 36,4  0,27  0,38 

 12,23 м³/с,

где Т− температура азота в откачиваемом объекте,

М − молекулярная масса азота.

S12,23 м³/с.
Тепловой расчет конденсатора

4. 
   Массовый поток воздуха, конденсирующегося на поверхности конденсатора
   

где р_о− атмосферное давление, Па;

 _в − плотность газообразного воздуха при давлении р_о.

5. 
   Тепловой поток к конденсатору от конденсации азота (принимаем, что после шевронного экрана температура азота Т_Э=80
   

К)

Q_k

g_N2 r

• 
  c_p
  

T_э

• 
  Т_к
  



 1.51 10^8  268000 1040 80

 4,5  0,005

Вт,

где r− удельная теплота сублимации воздуха при температуре 4,5 К;

c_p− удельная теплоемкость газообразного азота;

T_к − температура поверхности конденсатора.

6. 
   Тепловой поток к конденсатору от собственного излучения
   

шевронного экрана

Q^'  ^'  С 10^8  A^'  T⁴  T⁴ 

где

 0,73  5,77 10^8  0,38  80⁴  4,5⁴  0,67 Вт,




пр
^'  приведенная степень черноты для двух параллельных

пластин:

'
 ^'  ^'
0,8  0,9

^ пр

_к э _

 0,73,

 ^'  (1  ^' )  ^'

0,9  (1  0,9)  0,8

э э к

С_o− постоянная излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²∙К⁴);

T_эи T_к

− соответственно температура экрана и конденсатора, К;



э
^' − степень черноты экрана;




к
^' − степень черноты днища конденсатора (по существу это степень

черноты слоя конденсата).

7. 
   Тепловой поток к конденсатору от излучения, проникающего через шевронный экран
   

^Qпр

 С_o10^8  A^'  T⁴  T⁴ 

э
 5,77 10^8  0,38  300⁴  80⁴  2,5 10^3

 0,447 Вт,

где

  2,5 10^3

− коэффициент пропускания теплового излучения

э
шевронного экрана при ^'  0,9 .

8. 
   Площадь поверхности конденсатора, обращенной к непроницаемому азотному экрану
   

D²

А_к  D₁  l₁ ¹

4

 3,14  0,5  0,45 

3,14 0,5²

4

 0.903 м².

9. 
   Площадь поверхности непроницаемого азотного экрана, обращенной к конденсатору
   

А

э
^''  D₂

 (l₁

• 
  l₄
  

D²

_{) }2

4

 3,14  0,7  (0,45  0,01) 

3,14  0,7²

4

 1,59

м².

10. 
    Тепловой поток к конденсатору от излучения
    

непроницаемого азотного экрана

_Q''

_{ } ''

 С10^8  A

 T⁴  T⁴ 

где

 0,031  5,77 10^8  1,59  80⁴  4,5⁴  0,066 Вт,






пр
^'' приведенная степень черноты двух концентрических

фигур:




  
'' ''



^'' к э пр
 0,0311 ;

А
 ^''  (1  ^'' )  ^Aк ^''

э э _'' к

э



к

э
'' _{ }''

 0,048

− степень черноты нержавеющей стали.

11. 
    Теплопритоком к конденсатору по остаточному газу можно пренебречь, поскольку давление газа между конденсатором и экраном будет меньше 10^–4 Па.
    
12. 
    Площадь поперечного сечения трубки 8
    

f₈  D₈  ₈  3,14  0,016  0,0005  2,512 10^5

м²,

где

D₈ и ₈ − диаметр и толщина стенки трубки 8.

13. 
    Теплоприток к конденсатору по горловине, согласно уравнению Фурье
    

Q_ф 

₈ 

f₈  T_э  Т_к  _

l₇

5  2,512 10^5 80  4,5


0.3

 0,032

Вт,

где

₈  5

Вт/(м∙К) − теплопроводность стали 12Х18Н10Т при

температуре

T_э  Т_к

2

 42,2 К.

14. 
    Суммарный тепловой поток к конденсатору
    

_ Q_к

 Q_к  Q^'

 Q^''  Q  Q 

л

л пр ф

 Вт

15. 
    Скорость испарения жидкого гелия в конденсаторе
    



g
_ Q_к


r
Не

Не

_ 1,22

20,32 10³

 5,99 10^5

кг/с ,

где

^rНе

 20,32 10³ Дж/кг − удельная теплота испарения гелия.

16. 
    Гидравлическая вместимость конденсатора
    

 D²

V 0,8 ¹  l₁  0,8 

4

3,14 0,5²

4

 0,45  0,071

м³.

17. 
    Продолжительность работы насоса без дозаправки жидким гелием
    

_{ } ^VжНе _

0,071 125

 40.1 ч,

Не
¹ 3600  g

3600  5.99 10^5

_жНе  125 кг/м³ − плотность жидкого гелия.

Таким образом, τ₁=40.1 ч.

экрана

Тепловой расчет азотного экрана

18. 
    Площадь внешней поверхности непроницаемого азотного
    

^{ D2} 3,14 0,64²

А_э³  D₃  l₂ 

4

 3,14  0,64  0,8  1.93

4

м².

19. 
    Площадь внутренней поверхности корпуса
    

 D²

^Акор

_ 3,14 0,68²

4

⁴  D₄  (l₂  l₅ ) 

4

 3,14  0,68  (0,45  0,1)  1.34

м².

20. 
    Тепловой поток на непроницаемый азотный экран от
    

излучения

Q^'  ^'  С10^8  A T⁴  T⁴ 

где

 0,02  5,77 10^8 1.93 300⁴  80⁴  18.214 Вт,




пр
^'  приведенная степень черноты двух концентрических

фигур:

0.02

21. 
    Тепловой поток на шевронный экран от излучения
    

Q^''    С10^8  A T⁴  T⁴ 

где _э

 0,9  5,77 10^8  0,38  300⁴  80⁴  161.05 Вт,

 0,9 ,

22. 
    Тепловой поток к шевронному экрану от откачиваемого
    

газа

Q_г  g_в c_pT_о  Т_э  1.5 10^-8 1040  300  80  0,0034 Вт,

где

c_p 1040

Дж/(кг∙К) − удельная теплоемкость газообразного

азота.

Полученный результат указывает на то, что теплопритоком

Q_г можно пренебречь так же, как теплопритоком, вызванным остаточным газом.

23. 
    Теплоприток к азотному экрану по трубке 8 на отрезке l₈
    

Q₈ 

₈ 

f₈  T_о  Т_э 

l<sub>8

</sub> 15  2,512 10^5 300  80

0,1

 0,83 Вт,

где

₈  15

Вт/(м∙К) − теплопроводность стали 12Х18Н10Т при

температуре
T_о  Т_э

2
 190 К.

24. 
    Теплоприток к азотному экрану по трубке 10
    

^{10  f10  To  Тэ } 15  2,512 10^5 300  80

^Q10 ^



l₅  l₆

0,1  0,2

 0,39

Вт,

где

^10

 ₈ и

f₁₀ 

f₈ .

Поскольку величины Q₈и Q₁₀не являются определяющими в общем тепловом потоке к азотному экрану, уменьшение их вследствие охлаждения трубок отходящими парами не учитывается.

25. 
    
    10
    
    8
    
    г
    
    л
    
    л
    Суммарный тепловой поток на азотный экран
    

_ Q_э

 Q^'

 Q^''  Q

• 
  Q Q 
  

180.502 Вт.

26. 
    Скорость испарения жидкого воздуха
    

g<sub>в

 </sub> Q_э

r<sub>в

</sub> 180.5

198,6 10³

 9.1 10^4

кг/с

где

r_в

 198,6 10³ Дж/кг − скрытая удельная теплота испарения

азота.

27. 
    Гидравлическая вместимость азотной ванны
    

 D²

V 0,8 ³  (l₁  l₂  l₃ ) 

4

0,8 

3,14 0,64²

4

 (0,8 0,45  0,006)  0,298 м³.

28. 
    Продолжительность работы экрана без дозаправки жидким азотом
    

_{ } V_{жв }

0,298804

 73.36 ч,

в
² 3600  g

3600  6,8 10^4

^жN₂

804 кг/м³ − плотность жидкого азота. Итак: τ₂=73.36 ч.

,