19155

Теплоизоляция и принципы теплового расчета

Лекция

Производство и промышленные технологии

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ Лекция 2 Теплоизоляция и принципы теплового расчета Изза малой величины теплоты парообразования жидких хладагентов особенно жидкого гелия вопросы теплоизоляции рабочего объема играют ключевую роль при разработке р

Русский

2013-07-11

67.5 KB

6 чел.

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ

Лекция 2

Теплоизоляция и принципы теплового расчета

Из-за малой величины теплоты парообразования жидких хладагентов (особенно жидкого гелия) вопросы теплоизоляции рабочего объема играют ключевую роль при разработке различных низкотемпературных устройств.

Прежде всего необходимо создать условия, при которых отсутствует прямой конвективный теплообмен между криообъемом и окружающей средой. Для этого применяют так называемую высоковакуумную изоляцию, которая заключается в вакуумной откачке пространства между внешним корпусом и рабочей емкостью (рис.2.1).

При достаточно низких давлениях 10-5 –10-6 мм рт.ст. конвективным теплообменом уже можно пренебречь. Однако остаются три других канала теплопритока к жидкому хладагенту:

  •  теплопроводность остаточного газа;
  •  приток тепла за счет теплопроводности труб, опор, подвесок, измерительных проводов, токовводов;
  •  лучистый теплообмен.

Очевидно, что для уменьшения суммарного теплопритока требуется уменьшить каждую компоненту теплопритока до приемлемого уровня. Ниже мы рассмотрим принципы расчета подводимой мощности к хладагенту и разберем возможные способы ее минимизации.

2.1. Теплопередача за счет теплопроводности остаточного газа

Теплопроводность газа слабо меняется в широком интервале давлений. По мере понижения давления до 10-3 мм рт.ст. и ниже длина свободного пробега молекул l оказывается больше расстояния d между ограничивающими поверхностями и молекулы пролетают от теплой стенки с температурой Т2 к холодной с температурой Т1 без межмолекулярных соударений. В этом режиме молекулярного течения теплопроводность газа становится функцией числа молекул, то есть давления.

Для уменьшения притоков тепла за счет теплопроводности газа следует максимально понизить давление в вакуумной полости, что достигается откачкой форвакуумными и диффузионными насосами, предварительной очисткой и прогревом внутренних вакуумных поверхностей. Значение остаточного давления должно составлять 10-5 –10-6 мм рт.ст.

Средняя длина l свободного пробега молекул обратно пропорциональна давлению и зависит от природы газа и его температуры (таблица 2.1). Так, для воздуха при Т = 293 К и давлении 1 Па длина свободного пробега l1 = 6,710-3 мПа [5]. При любом другом давлении

где p – давление газа в Па; l –  в м.

Таблица 2.1

Средняя длина свободного пути молекул различных газов при давлении 1 Па.

Газы

l103, мПа

600 К

298 К

77 К

4,2 К

N2

20,8

8,67

1,26

0,0061

O2 

16,9

7,02

1,00

0,0047

Ar

16,7

6,79

0,933

0,0042

CO2

11,6

4,32

0,492

0,0019

Ne

30,7

13,9

2,50

0,0165

Kr

14,1

5,52

0,691

0,0029

H2

28,2

12,2

0,197

0,0108

Xe

10,5

3,93

0,448

0,0017

H2O

13,9

4,38

0,391

0,0013

Воздух

16,0

6,72

0,995

0,0048

He

43,6

19,1

3,13

0,0174

Величина средней длины свободного пробега молекул l необходима для определения степени вакуума. Для этого l сравнивают с эффективным размером вакуумной системы dэф. Для молекул газа внутри сферического сосуда диаметром D эффективный размер камеры dэф = 2/3D , для трубы бесконечной длины диаметром D dэф = D, а для двух бесконечных параллельных плоскостей, расположенных на расстоянии  друг от друга, dэф = 2D.

Критерий Кнудсена или число Кнудсена определяется как

Kn = l/dэф.

В зависимости от значения критерия Кнудсена различают вакуум низкий, средний и высокий.

Низкий вакуум – это состояние газа, при котором взаимные столкновения между молекулами преобладают над столкновениями молекул газа со стенками вакуумной камеры. Такое состояние газа соответствует условию Kn<<1. При этом длина свободного пути молекул газа значительно меньше размеров вакуумной камеры. Из условия изменения режима течения газа принимают Kn<<510-3. При напылении в низком вакууме столкновения молекул газа с молекулами распыляемого вещества не дают возможность получить на стенках камеры изображение экрана, поставленного на пути пучка.

Средний вакуум – это состояние газа, когда частоты соударений молекул друг с другом и со стенками  вакуумной камеры одинаковы, при этом l  dэф, а Kn  1.

Высокий вакуум – это состояние газа, при котором столкновения молекул газа со стенками вакуумной камеры преобладают над взаимными столкновениями молекул газа. При этом Kn>1. В этом случае изображение экрана, поставленного на пути молекулярного пучка, получается отчетливым. Из условий изменения течения газа принимают Kn≥1,5. Тогда условие существования среднего вакуума можно записать в виде 510-3 <Kn<1,5.

В криогенной технике интерес представляет только ситуация высокого вакуума, для которой производится расчет теплопроводности остаточного газа.

При соударениях молекул газа с ограничивающей стенкой между ними не происходит полного обмена энергией, то есть тепловое равновесие между стенкой и соударяющимися молекулами не устанавливается, что характеризуется коэффициентом аккомодации Кнудсена . Иными словами, коэффициент аккомодации характеризует неполноту обмена энергией между молекулами газа и поверхностью. Коэффициент аккомодации зависит от природы газа и твёрдого тела. На его величину также оказывают влияние температура, состояние поверхности твёрдого тела, наличие на ней адсорбированных газов и т.д. Приближённые значения коэффициентов аккомодации на чистых металлических поверхностях приведены в табл. 2.2.


Таблица 2.2

Приближенные значения коэффициентов аккомодации

Температура, К

Коэффициенты аккомодации  

гелия

водорода

воздуха

300

78

20

0,29

0,42

0,59

0,29

0,53

0,97

0,8 – 0,9

1,00

1,00

Плотность теплового потока между двумя поверхностями (концентрические сферы, коаксиальные цилиндры, параллельные пластины), обусловленного теплопроводностью остаточного газа в режиме l>>d,  можно рассчитать по формуле

где q в Вт/м2; R = 8310 Дж/(Ккмоль) – универсальная газовая постоянная; – молярная масса газа; р – давление;  = Сp/Cv – показатель адиабаты; T – температура, измеренная в месте регистрации давления (как правило, комнатная);

общий коэффициент аккомодации,  где 1,2 – коэффициенты аккомодации выпуклой и вогнутой поверхностей соответственно; S1, S2 – площади поверхностей выпуклого и вогнутого тела.

   Выражение (2.2) можно упростить, если подставить значение R:

где р в паскалях. Или:

где р в мм рт.ст.

Если подставить значения  и  для газов (см. табл. 1.4) и принять Т = 295К, то выражение (2.5) можно записать в виде:

где q в Вт/м2; р – давление  в мм рт.ст.; константа С в данном случае безразмерна и равна 160 для воздуха, азота; 283  для гелия.

Основная трудность при вычислении q обусловлена неопределенностью величины коэффициента аккомодации. Опыты показывают, что 0 для чистой металлической поверхности по отношению к гелию может составлять всего 0,025. Вместе с тем и расчеты, и практика показывают, что при давлении ниже 10-6 мм рт.ст. теплопроводностью остаточного газа можно пренебречь.

PAGE  5

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72709. РЕЗЬБОВОЙ МИКРОМЕТР СО ВСТАВКАМИ 1.49 MB
  Комплексный метод служит для оценки годности резьбы. При этом учитываются погрешности всех параметров резьбы. Контроль резьбы калибрами прост и удобен.
72711. Микрометрический нутромер 198.5 KB
  Устройство и принцип действия прибора Микрометрический нутромер по устройству напоминает микрометр. Цена деления прибора -– 001 мм. Настройка прибора на конкретное измерение выполняется путём подбора подходящих удлинителей отсчёт производится п шкалам барабана и стебля.
72713. Индикаторный нутромер 100 KB
  Нутромеры индикаторного вида выпускают со стандартизованными пределами измерений 610 мм 1018 мм и др. К прибору прилагаются сменные стержни и шайбы устанавливающиеся в отверстие тройника головки нутромера. Устройство и принцип действия прибора.
72714. Оптимизация каналов реализации продукции 37.5 KB
  Постановка задачи Определить оптимальную структуру каналов реализации получения максимальной выручки от реализации продукции. Известна цена реализации продукции по каждому каналу реализации табл. цена реализации продукции тыс.
72715. Знакомство со средой программирования C++ Builder 6 394 KB
  Цель работы: Знакомство с оболочкой среды визуального программирования C++Builder. Получение навыков создания простейших приложений. Методические указания. В ходе выполнения лабораторной работы необходимо, используя предложенную последовательность действий, ознакомиться с интерфейсом...
72716. Изучение основных компонентов среды С++ Builder 6: Button, Edit, Label. Решение алгебраических задач 443.5 KB
  Из главной формы необходимо вызвать вторую форму нажатием кнопки мыши на поле главной формы. На поле второй формы должны быть расположены поле для ввода числа поле результата суммирования вводимых чисел поля ввода и вывода чисел должны иметь поясняющий текст.