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

7 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

79407. Проблема индивидуальности в психологии личности. Специфика индивидуального бытия человека 28.25 KB
  Специфика индивидуального бытия человека В психологии существует несколько традиций понимания индивидуальности. Первая традиция связана с пониманием индивидуальности как единичности. Описание индивидуальности с этой точки зрения это определение линии потенциальных патологических изменений личности.
79408. Понятия и психологические образования индивидуальности 29.21 KB
  Психологические образования личности обеспечивающие человеку возможность совершать поступки позволяющие ему осуществить акт свободного самостоятельного и ответственного выбора отстаивать собственную позицию составляют особый уровень и особую структуру субъективности. С этой точки зрения субъектность человека способности и механизмы его душевной жизни входят в психологические образования личности в качестве их особых предпосылок. Характер также неотделим от личности поскольку реализует главные жизненные устремления человека.
79409. Мотивация развития индивидуальности 24.51 KB
  Преобладание формального чисто динамического описания движущих сил развития личности над содержательным их анализом и отсутствие адекватного подхода к изучению их общественно-исторической обусловленности постулирование положения о подчиненности активности субъекта некоторой конечной заранее предустановленной цели а тем самым и понимание человека как преимущественно адаптивного существа. На принципиально иных позициях строится подход к изучению движущих сил развития личности в советской психологии. Методологические...
79410. Жизненный путь личности 24.74 KB
  Сознание активность зрелось личности рассматриваются Рубинштейном как высшие личностные образования которые выполняют функции организации регуляции обеспечения целостности жизненного пути человека как субъекта деятельности. Рубинштейна выступает активность и творчество личности как организатора и преобразователя своей жизни. Ему принадлежит самое крупное лонгитюдное исследование личности и ее жизненного пути на основе которого была определена возрастная периодизация и онтогенез развития личности: детство юность выбор профессии...
79411. Смысл жизни личности в концепции Франкла 25.84 KB
  Смыслы не являются универсальными они уникальны для каждого человека в каждый момент его жизни. Однако существенным отличием Франкла является идея о том что обретение и реализация смысла всегда связана с внешним миром с творческой активностью человека в нем и его продуктивными достижениями. При этом он как и другие экзистенциалисты подчеркивал что отсутствие смысла жизни или невозможность его реализовать приводит к неврозу порождая у человека состояния экзистенциального вакуума и экзистенциальной фрустрации. Он выделяет три класса...
79412. Движущие силы и условия развития личности. Развитие как способ существования личности в представлениях отечественных исследователей 44.04 KB
  Развитие как способ существования личности в представлениях отечественных исследователей. Проблема постоянства и изменчивости личности Асмолов: Факторы развития личности: органические предпосылки среда сама личность. Двухфакторная детерминация развития личности наследственность среда определяет постановку проблемы о соотношении биологического и социального в человеке.
79413. Психологический возраст и социальная зрелость личности. Подходы к определению критериев социальной зрелости личности 34.66 KB
  Следует отметить что и проблема хронологического возраста имеет большое значение для психологии при исследовании жизненного пути личности выделения его основных этапов т. Вместе с тем в современной науке все большее распространение приобретает полиизмерительный подход к изучению возраста как дифференцированной меры времени человеческой жизни. ^ Самооценка возраста. При постановке проблемы возраста которая принята в психологии практически неисследованным остается вопрос о субъективном отношении человека к собственному возрасту о том...
79414. Категория «личность» в системе наук. Междисциплинарный статус проблемы 26.59 KB
  Междисциплинарный статус проблемы Первое отличие познавательной ситуации исследования психологических закономерностей становления и развития личности состоит в том что в психологии до сих пор возникают серьезные затруднения при попытках очертить сферу эмпирических фактов относящихся к предмету психологического изучения личности. Многогранность феноменологии личности отражающая объективно существующее многообразие проявлений человека в истории развития общества и его собственной жизни превращает исходный вопрос любого познания вопрос об...
79415. Проблемы, связанные с изучением личности. Общие представление о личности в психологии 31.43 KB
  Общие представление о личности в психологии Слово личность в английском языке происходит от латинского person. Таким образом с самого начала в понятие личность был включен внешний поверхностный социальный образ который индивидуальность принимает когда играет определенные жизненные роли некая личина общественное лицо обращенное к окружающим. Эта точка зрения совпадает с мнением современного непрофессионала который обыкновенно оценивает личность по критериям обаяния умения вести себя в обществе популярности физической...