Газовые потоки в геометрически сложных криовакуумных системах

• Автор: Васильева, Татьяна Сергеевна
• Шифр специальности: 05.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

Условные обозначения

л Введение

1. Общие положения

1.1. Тенденции изменения подходов к проектированию вакуумного оборудования и систем на его основе

1.2. Комплексный подход для анализа вакуумных систем

ф 2. Обзор методов расчета характеристик вакуумных систем

2.1. Методы расчета проводимости в молекулярном режиме

2.2. Методы расчета проводимости в вязкостном режиме

2.3. Методы расчета проводимости в переходном (молекулярно-вязкостном) режиме течения
2.3.1. Аналитические методы расчета параметров вакуумных систем в переходном режиме течения
2.3.2. Решение задач газовой динамики с использованием кинетического уравнения Больцмана
2.3.3. Метод Монте-Карло и его вариации
2.4. Некоторые примеры расчета с использованием различных методов
2.5. Области использования методов молекулярной газовой динамики
2.6. Вывод
ф 3. Методы экспериментальных исследований характеристик вакуумных систем
3.1. Методы определения значения потока газа
3.1.1. Метод накопления
3.1.2. Метод накопления с перепусканием газа в калиброванный объем
♦ 3.1.3. Метод накопления газа с анализом динамики измерения давления во времени
3.1.4. Метод калиброванного сопротивления и двух манометрических датчиков
3.1.5. Метод двух калиброванных сопротивлений и одного манометрического датчика
3.1.6. Метод эквивалентного потока
3.1.7. Метод суммирования потоков
3.2. Методы измерения значения давления газа
3.2.1. Тепловые вакуумметры
3.2.2. Электронные ионизационные вакуумметры
3.2.3. Магнитные газоразрядные вакуумметры
3.2.4. Емкостные высокоточные датчики давления
3.3. Выводы
4. Экспериментальные исследования характеристик вакуумных систем
® 4.1. Типовая экспериментальная установка для измерения характеристик вакуумного
оборудования
4.2. Описание созданной экспериментальной установки и сценария измерений
4.3. Пример анализа экспериментальных данных
4.4. Результаты экспериментов и их обсуждение
4.5. Выводы
5. Программный комплекс для автоматизации процессов проектирования и модернизации
вакуумного оборудования
5.1. Анализ вакуумных характеристик систем
5.1.1. Расчет вакуумных характеристик системы
5.1.2. Нахождение оптимальных конструкций вакуумных систем
5.1.3. Модернизация программного комплекса
5.1.4. Экспресс-анализ вакуумной системы
® 5.2. Автоматизированная система анализа тепловых характеристик вакуумной системы
5.3. Проектировочные расчеты вакуумной арматуры и соединительных элементов вакуумных
систем с помощью предложенного комплекса
5.3.1. Расчет проводимости сложного трубопровода

5.3.2. Примеры расчета проводимости
5.3.3. Выводы
5.4. Анализ сложного вакуумного оборудования с помощью предложенного программного комплекса
6. Примеры использования предлагаемых подходов в задачах проектирования и модернизации
сложных вакуумных систем
6.1. Оптимизация вакуумного оборудования
6.1.1. Вакуумные ловушки
6.1.2. Крионасосы
6.1.3. Вывод
7. Выводы по работе
Литература
Приложение 1. Анализ современного состояния рынка оборудования систем создания и
поддержания вакуума
П1.1. Объем и структура рынка вакуумного оборудования
П1.2. Основные тенденции рынка вакуумного оборудования
П1.3. Основные направления развития вакуумных систем
П1.4. Выводы
Приложение 2. Документы, удостоверяющие точность использованного экспериментального
оборудования
Условные обозначения
Кп -число Кнудсена;
Т - температура, К; р - давление газа, Па;
I)мз- проводимость системы в вязкостном режиме течения, м3/с; им„л- проводимость системы в молекулярном режиме течения, м3/с; ип- проводимость системы в переходном режиме течения, м3/с;
(Р1 - Рг) - разность давлений на концах трубопровода, Па;
М - молекулярная масса газа, кг/моль;
Ъ - поправочный коэффициент;
К - радиус канала, мм;
Ъ - длина канала, мм; г) - вязкость газа, Н*сек/м2; р - плотность газа, кг/м3;
Б - площадь входного сечения трубопровода, м2; к - коэффициент Клаузинга; п - количество элементов вакуумной системы;
11г - суммарная проводимость всей системы, м3/с; и о, - проводимость 1-го канала, м3/с; к| - коэффициент Клаузинга для 1-го канала; ио - проводимость уплотнения в целом, м3/с;
Б - быстрота откачки объекта, м3/с;
8„ - быстрота действия насоса, м3/с;
кв=1.38 10-23 — постоянная Больцмана, Дж/К;
Ду - условный диаметр крионасоса, мм;
8Паи - коэффициент лучеиспускания панелей; сср - коэффициент лучеиспускания среды;
Р - коэффициентов прилипания;
У1 - угол наклона колец ловушки, находящихся со стороны откачиваемого объема, град; к| -высота колец ловушки, находящихся со стороны откачиваемого объема, мм;
72 - угол наклона колец ловушки, находящихся со стороны насоса, град;
Ьг -высота колец ловушки, находящихся со стороны насоса, мм;
1 - характерный линейный размер, мм;
3.2.1. Тепловые вакуумметры
Действие тепловых вакуумметров основано на зависимости эффективности теплоотвода от давления. Основными элементами любого теплоэлектрического манометрического преобразователя являются нить накала (с постоянной температурой и большой теплоемкостью) и корпус прибора. При постоянной электрической мощности, подведённой к нити СЬл., температура нити зависит от давления. В стационарном состоянии при установившейся температуре нити имеет место баланс мощностей:
Р.Д Ом.
где 0,< — мощность теплоотвода по конструктивным элементам манометра; 0„ — мощность, отводимая от нити соударяющимися с ней молекулами; Эл — мощность, отводимая лучеиспусканием.
Поскольку с ростом давления коэффициент теплопроводности газа увеличивается, то и увеличиваются ()м. Следовательно, при ()эл=сопз1 равновесная температура нити возрастает при понижении давления. Поэтому в тепловом манометре измеряется температура нити и результаты измерений градуируются в единицах давления.
В диапазоне давлений от 1 до 10‘3 торр широко применяются термопарные манометры.
Диапазон давлений, измеряемых современными тепловыми вакуумметрами составляет от 760 до КТ4 торр. Наиболее распространенная схема при этом - преобразователь сопротивления Пирани. Датчики тепловых вакуумметров не боятся прорыва атмосферы и имеют практически неограниченный срок службы. Основным их недостатком является газозависимость: поскольку результат измерений зависит от коэффициента теплопроводности газа, то необходим пересчет получаемых значений с учетом изменения состава разреженного газа. Градуировка датчиков происходит, как правило, на азоте. Характерное значение погрешности таких вакуумметров составляет 10-15% от показания.
3.2.2. Электронные ионизационные вакуумметры
Принцип действия электронного преобразователя основан на прямой пропорциональности между давлением и ионным током, образовавшимся в результате ионизации термоэлектронами остаточных газов.
Электрические потенциалы электродов таковы, что создают для электронов ускоряющую разность потенциалов в пространстве между анодом и катодом и замедляющую разность потенциалов в пространстве между анодом и коллектором ионов, причём замедляющая разность потенциалов по величине больше ускоряющей разности потенциалов. Обычно коллектор имеет нулевой потенциал, анод - высокий положительный, катод - небольшой положительный потенциал. Питание манометрического преобразователя осуществляется измерительным блоком вакуумметра.