冷阱的主要参数设计计算

2008-11-20 张春元 北京卫星环境工程研究所

冷阱流导的设计

        在真空系统的<160管道上, 我们认为流导应等效于等长管道的流导。根据金属冷阱的计算方法和现行的有关规定, 冷阱的流导计算只限于分子流范围内。所以, 此冷阱也只在分子流范围内计算流导。经计算并考虑其它因素的影响, 取液氮胆内壁半径R = 14 cm。经验算, 该冷阱的实际流导与等效管道流导的误差为1114%,基本符合要求。

液氮胆与外壳的设计

        液氮胆内壁是一个只承受外压的不锈钢筒壳体,按稳定条件计算其壁厚,并考虑到壁厚的附加量和其它实际因素, 实际壁厚取215mm。液氮胆外壁为内压力容器, 经计算并考虑到内壁厚及其它因素的影响,取胆外壁厚为215mm。

      冷阱外壳是一个外压的不锈钢圆筒壳体,经计算并考虑到壁厚的附加量和冷阱承受分子泵及管道的重量等因素, 取冷阱外壳的厚度为5mm。

      此冷阱为垂直方向使用,若用液氮进出口管作为内胆的支承, 经计算进出口管受到的拉应力为R= 215M Pa, 远小于许用应力[R]= 144M Pa, 故进出口管可以作为内胆的支承。

冷阱热负荷的计算

液氮胆的热负载主要有以下几项:

(1)进出口管和薄壁筒的固体热传导;

(2)冷阱外壳对内胆和障板的热辐射;

(3)吸附气体和油分子的热损失;

(4)外壳对内胆气体分子的热传导;

(5)气体通过障板带走的热量。

通过对冷阱各部分的热负荷计算, 可以得到各部分热负荷所消耗的液氮量, 分别为m 1,m 2, m 3, m 4, m 5。

障板的设计

        障板的结构对冷阱的挡油效果起决定性作用, 人字形障板结构的最佳尺寸是H= 60°, A /B ≥5, 另外障板的设计还要满足光学屏蔽的效果。从以上最佳尺寸选取来看, 关键在于B 的选择, 它对挡油效果和流导都有较大影响。一般来讲, B 的选择依据主要是气体分子平均自由行程, 也就是与冷阱的工作真空度有密切关系, 冷阱的工作真空度与极限真空度就成为选择B的主要依据。对于低温泵再生真空系统来讲, 一般工作在10～ 011 Pa 范围内。根据经验和光学屏蔽条件, 取障板高度为100mm。

障板的热损失主要有以下几项:

(1)上下法兰口对障板的热辐射损失;

(2)吸附气体和油分子的热损失;

(3)气体通过障板带走的热量。

由这些热量损失可求得障板的厚度为1mm。