大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)的其它一些參數(shù)設(shè)計(jì)
除了大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)抽速和熱負(fù)荷的最佳化設(shè)計(jì)計(jì)算外, 大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)還有系統(tǒng)降溫時(shí)間、總抽氣面積和總抽速等參數(shù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些問(wèn)題相互影響, 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。從理論上講, 也有一個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。但是由于前述研究已經(jīng)解決了系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)問(wèn)題, 這里將問(wèn)題加以適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。
在系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)確定以后, 決定系統(tǒng)抽速的就是低溫真空系統(tǒng)的總有效抽氣面積。有效抽氣面積越大,則系統(tǒng)總抽速也就越大, 此時(shí)處于20K低溫的材料也就越多。同時(shí)也要求系統(tǒng)從常溫啟動(dòng), 到正常工作所需的時(shí)間也要盡可能短。這都要求有較大的制冷功率。兩者都受到總制冷功率有限的約束。通過(guò)設(shè)計(jì)研究, 在外制冷功率為1200W時(shí),選擇總有效抽氣面積為100m2,經(jīng)計(jì)算, 系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)和熱輻射可以控制在400W以內(nèi)。系統(tǒng)從常溫啟動(dòng)到正常低溫工作狀態(tài), 所所需時(shí)間約為6h。根據(jù)前述計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果, 可以計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)氮?dú)獾挠行С樗俅笥?.5×106L/s�？梢詽M足對(duì)真空系統(tǒng)的各項(xiàng)主要要求。
在實(shí)際真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 還將整個(gè)真空系統(tǒng)分成可以獨(dú)立運(yùn)行的兩部分, 每部分的制冷功率為600W , 抽速大于0.75 ×106L/s。考慮到空間試驗(yàn)設(shè)備的總體布局及有利于低溫流體流動(dòng), 將低溫真空系統(tǒng)對(duì)稱布置于容器的上部, 也是大型空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中上部熱沉的一部分。圖2 即為大型空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中內(nèi)裝式氦制冷低溫真空系統(tǒng)和熱沉的總體布置圖。
圖2 大型空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)裝式低溫真空系統(tǒng)和熱沉布置示意圖
在大型低溫真空系統(tǒng)的研制中, 還有一些技術(shù)問(wèn)題有待研究解決。如大型真空系統(tǒng)的真空測(cè)量問(wèn)題和有效抽速的測(cè)量問(wèn)題等。由于在大型真空系統(tǒng)中存在大抽速的低溫面, 使真空系統(tǒng)中有較強(qiáng)的定向氣流, 需要解決定向壓強(qiáng)對(duì)真空測(cè)量影響問(wèn)題。在系統(tǒng)有效抽速的測(cè)量方面, 由于大型真空系統(tǒng)中的放氣影響已經(jīng)占很大比例, 對(duì)抽速測(cè)量的影響較大。
此時(shí)如繼續(xù)沿用一般真空泵抽速測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量, 將產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。同時(shí)由于氣體流量測(cè)量范圍較大, 氣體流量的精確測(cè)量也對(duì)測(cè)量?jī)x器和方法提出較高的要求。
解決具有較強(qiáng)定向氣流的大型真空容器的真空度測(cè)量問(wèn)題, 可以利用蒙特卡洛方法計(jì)算容器的分子流分布。根據(jù)測(cè)量的分子流分布情況, 確定真空規(guī)管的數(shù)量和位置, 利用測(cè)量數(shù)據(jù), 得出系統(tǒng)平均真空度作為系統(tǒng)試驗(yàn)真空度, 并利用此數(shù)據(jù)作為測(cè)量真空系統(tǒng)抽速時(shí)的依據(jù)。對(duì)大型真空系統(tǒng)的漏放氣對(duì)抽速測(cè)量的影響問(wèn)題, 可以利用靜態(tài)升壓法多次測(cè)量大型真空容器的總漏放氣量, 待容器的總漏放氣量趨于穩(wěn)定時(shí), 以平均漏放氣量作為系統(tǒng)總漏放量,并在抽速計(jì)算公式中考慮漏放量的影響。采取上述措施, 并且使用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器后, 可以較好地解決大型真空系統(tǒng)的真空度和抽速的測(cè)量問(wèn)題。
在總結(jié)前人設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)之上, 對(duì)大型低溫真空系統(tǒng)的最佳化設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了系統(tǒng)的研究, 對(duì)計(jì)算方法和計(jì)算模型均進(jìn)行了改進(jìn), 使之能夠較好地應(yīng)用于工程實(shí)際。通過(guò)實(shí)際工程設(shè)計(jì)的考驗(yàn), 證實(shí)這種改進(jìn)是能夠很好地滿足實(shí)際大型低溫真空系統(tǒng)的工程需要的。根據(jù)上述對(duì)大型低溫真空系統(tǒng)抽氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究結(jié)果, 研制了一個(gè)大型低溫真空抽氣系統(tǒng)。初步結(jié)果證明, 對(duì)大型低溫真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究是成功的。對(duì)今后大型低溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大的指導(dǎo)意義。
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