XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Демонстрация принципа работы криоадсорбционного насоса
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Выбранная тема достаточно актуальна. В условиях санкций очень много внимания нужно уделять вопросам повышения качества промышленного и лабораторного оборудования, а также самих выпускаемых изделий. В настоящее время широкое распространение получили современные технологии, требующие условий вакуума. Срок службы электронных приборов и стабильность вольтамперных характеристик определяются вакуумом и остаточными газами, то есть качество производства зависит от чистоты и уровня вакуума. Получение так называемого «чистого» вакуума (без углеводородов в спектре) достигается применением средств безмасляного вакуумирования, к которым относятся криоадсорбционные вакуумные насосы.
Цель работы – изучить принципы работы криоадсобционных насосов, подробно рассматривая физические явления, лежащие в основе используемого метода получения вакуума, что необходимо для правильного понимания и продуктивного проектирования действующих моделей таких приборов. Задачи проекта – собрать и изучить материал по выбранной теме, провести необходимые эксперименты, обобщить полученные данные, применить наработанные результаты на практике в процессе работы над моделью и написания программы для её измерителя давления и температуры. При этом данные должны выводиться на жидкокристаллический дисплей.
Объект исследования – криоадсорбционные насосы. Предмет исследования – физические процессы, лежащие в основе принципа действия насосов данного типа. Практическая значимость работы состоит в том, что в ней представлены сведения практического назначения необходимые при обучении инженерному делу или определённым технологическим вопросам. Решение данных задач – настоятельное требование настоящего времени. Инженеры – снова востребованы в нашей стране, так как именно они являются одними из краеугольных камней развития экономики государства.
Методы работы – работа с литературой, проведение экспериментов и исследований, фиксирование результатов, проектирование и изготовление прибора, изучение необходимых компьютерных программ и написание собственной для сбора данных с датчиков давления и температуры и выведения полученной информации на жидкокристаллический дисплей. В процессе работы над проектом были использованы учебники по физике, литература по прикладной физике и справочные материалы из интернета.
Новизна работы: спроектирована конструкция криоадсорбционного вакуумного насоса, написана компьютерная программа для его измерителя и датчиков, а также подготовлена документация для использования материалов проекта в учебном процессе.
2. Принцип действия высоковакуумных крионасосов
Принципиальная конструктивная схема насоса (рис.1.) состоит из четырех основных элементов: криопанель, теплозащитный экран, охлаждающее устройство, герметичный корпус [1].
Крионасос (криогенный насос) – безмасляное высоковакуумное адсорбционное устройство. Он относится к насосам конденсационного типа, то есть понижение давления происходит за счет конденсации газов и паров поверхностью криопанели, охлажденной до сверхнизких (гелиевых) температур. В этом случае будут конденсироваться все газы кроме гелия. В нашем проекте мы используем пары воды, которые конденсируются на охлаждающейся поверхности полупроводникового элемента Пельтье. Эффективность работы насосов зависит от температуры замерзания и кипения газа относительно температуры создаваемой крионасосом.
Основной принцип работы – использование низких температур для осаждения газов на специальных криогенных поверхностях, размещенных в объеме насоса или непосредственно в вакуумной камере [2,3].
3. Материал по физике необходимый для понимания процессов, происходящих при работе крионасосов
Насыщенный пар – пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. (То есть, в данном объёме при данной температуре не может находиться большее количества пара.)
Абсолютная влажность – плотность водяного пара, содержащегося в воздухе, кг/м3.
Парциальное давление – давление, которое производит каждый газ в смеси в отдельности.Атмосферное давление– сумма парциальных давлений газов.
Относительная влажность, φ – отношение парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в % [4].
ЯВЛЕНИЕ ПЕЛЬТЬЕ. При прохождении постоянного тока через термобатарею, составленную из последовательно соединённых двух различных материалов - термоэлементов - одни спаи этой батареи охлаждаются, а другие – нагреваются. Количество теплоты Q, отведённое постоянным электрическим током от холодного спая термобатареи
QП = ПIt=Пq,
где П – коэффициент Пельтье,, t – время, q – заряд. П – количество теплоты, выделяющееся (поглощающееся) на контакте при прохождении заряда 1 Кл.
Различие между теплом Джоуля - Ленца и теплом Пельтье: тепло Джоуля - Ленца не зависит от направления тока (и всегда нагревание):
Q = I2R t.
Тепло Пельтье в зависимости от направления тока выделяется или поглощается [5].
ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА. Пусть ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному: электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют (то есть соединяются). В результате освобождается энергия (выделяется тепло). Рис. 2 а.
ПОГЛОЩЕНИЕ ТЕПЛА. Ток идёт в обратном направлении. Электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Их убыль в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться – рис. 2 б. Это применяется в термоэлектрических холодильниках.Термоэлектрические батареи набирают из последовательно соединенных термоэлементов. И лучше применять полупроводники разного типа проводимости - рис. 3 . На рис. 4 – график «Холодопроизводительность». Это результат сложения графиков «Джоулево тепло» и «Тепло Пельтье». Оптимальная сила тока отмечена на графике. Любое отклонение от этой величины приводит к ухудшению параметров установки в режиме охлаждения. По результатам проведения экспериментов были составлены таблицы и строились графики зависимости температуры от времени работы термоэлемента. Таблица 1 – пример таких таблиц. Изображение работающего элемента Пельтье (рис. 5 а) представлено на фотографиях, полученных с использованием тепловизора (рис. 5 б).
4. Моделирование
Существуют технологические процессы, которые требуют глубокого и «чистого» вакуума, что подразумевает отсутствие загрязнений от самого насоса. Более всего этим условиям соответствуют криоадсорбционные насосы вымораживающие газы.
В процессе выполнения проекта авторским коллективом была изготовлена действующая модель криоадсорбционного насоса, где в качестве криопанели использован полупроводниковый элемент Пельтье. Для вакуумметра была написана компьютерная программа, позволяющая следить за давлением газов внутри устройства по показаниям, выводимым на дисплей в режиме реального времени. Назначение модели – демонстрация принципов действия криоадсорбционных насосов.
Основная идея моделирования. Принцип действия модели: вымораживание водяного пара на охлаждаемой криопанели, то есть понижение его парциального давления в общем давлении газов, находящихся в насосе [6]. Давление снижается до 10 -9 Па и ниже. При этом для модели в качестве криопанели достаточно использовать элемент Пельтье, обеспечивающий температуру холодного спая до -20 °С. Размеры элемента 40х40 мм. Номинальное напряжение 12 В, потребляемый ток 4 А. В центре элемента закреплен цифровой датчик температуры Dallas 18B20. Горячая сторона с помощью теплопроводящей пасты установлена на массивном радиаторе с вентилятором.
Жидкой воде после введения дается некоторое время (около 15 минут) для того, чтобы она немного испарилась и своими парами вытеснила некоторый объем атмосферного воздуха из герметичного объема. Для выравнивания давлений в герметичном объеме и атмосфере предусмотрен специальный клапан, который закрывается после включения элемента Пельтье, изолируя откачиваемый объем от внешней атмосферы. По мере намораживания паров воды на элементе Пельтье они будут занимать меньший объем и давление в герметичной камере должно понижаться.
Для фиксации данных о давлении и температуре был использован специально изготовленный микроконтроллерный измеритель, который получая данные от датчиков давления (датчик абсолютного давления 45. 3829 автомобиля «Газель») и температуры (цифровой датчик температуры Dallas 18B20) выводит их на жидкокристаллический двухстрочный экран. Для удобства считывания данных и их сопоставления в верхней строке фиксируются данные о температуре и давлении до момента включения охлаждения, а в нижней строке непрерывно отображаются результаты текущего измерения. Одновременно наблюдая результаты в обеих строках удобно проводить сравнительный анализ. Принципиальная схема крионасоса – рис. 6.
Процессы изготовления представлены на рисунках 7- 10 [7].
Для микроконтроллерного измерителя написана компьютерная программа. Она преобразует показания датчиков (давления и температуры) и выводит их на жидкокристаллический дисплей.
5. Подготовка модели насоса к работе
Модель была включена в сеть на 220 вольт. При этом заработала только электроника, считывающая показания датчиков. Охлаждение выключено. Был снят стеклянный колпак и подготовлен шприц с водой. Рис. 11 а, б. Из шприца нанесли несколько капель воды, и стеклянный колпак был установлен на место. Рис. 12 а, б.
6. Процесс откачки и результаты экспериментов
Далее было выждано 15 минут с открытым клапаном для выравнивания давлений. За это время жидкая вода частично испарилась и своими парами вытеснила некоторое количество молекул воздуха из замкнутого объема. После чего включено охлаждение насоса. Через 20 минут вода стала активно намерзать на холодной стороне элемента Пельтье, что начало давать понижение давления с первоначальных 705 мм. рт. ст. до 686 мм. рт. ст. Таким образом, давление понизилось на 19 мм рт. ст. Так как под колпаком практически отсутствует конвективное движение газа, то вода замерзает в виде игольчатых кристаллов. Еще через 20 минут давление понизилось до 677 мм рт. ст., что дает понижение давления на 28 мм рт. ст.
Еще через 20 минут давление достигло своего минимума в 672 мм рт. ст. и больше уже не снижалось. Рис. 13 а - в.
На фотографии хорошо видно, что все капли воды испарились, и вода была заморожена на элементе Пельтье. Дальнейшее понижение давления прекратилось, что можно объяснить тем, что практически вся вода переведена в твердое состояние и ее пары не участвуют в создании давления, обусловленного хаотическим движением молекул газа под колпаком. Через 1 час работы модели насоса удалось заморозить всю воду и понизить давление на 33 мм рт. ст. относительно первоначального давления. Модель крионасоса наглядно продемонстрировала процесс понижения давления в результате замораживания газов на примере замораживания паров воды.
7. Заключение
Результаты работы:
-
Рассмотрены конструкции высоковакуумных криоадсорбционных насосов и изучен процесс их работы.
-
Изготовлена действующая модель криоадсорбционного насоса.
-
Проведен эксперимент, наглядно демонстрирующий принцип криоадсорбционной откачки.
Новизна работы: спроектирована конструкция криоадсорбционного вакуумного насоса, написана компьютерная программа для его микроконтроллера, который обрабатывает данные поступающие с датчиков температуры и давления, а затем выводит показания на жидкокристаллический дисплей. Помимо этого подготовлена документация для использования материалов в учебном процессе.
8. Список литературы
1. Демихов, К.Е. Вакуумная техника: справочник / К.Е. Демихов, Ю.В. Панфилов, Н.К. Никулин. – М.: Машиностроение, 2009. –216 с.
2. Пёрышкин, А. В. Физика. 8 кл. / А.В. Пёрышкин, Н. В. Филонович. – М.: Дрофа, 2020. – 238 с.
3. Розанов, Л. Н. Вакуумная техника: Учебник для вузов / Л.Н. Розанов. – М.: Высшая школа, 2007. – 300 с.
4. Мякишев, Г. Я. Физика-10 / Г.Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Сотский Н.Н. – М.: Просвещение, 2020. – 432 с.
5. Калашников, С. Г. Электричество / С. Г. Калашников. – М.: Наука, 1970. – 667 с.
6. Хэфер, Р. Криовакуумная техника / Р. Хэфер.– М.: Энергоатомиздат,1983. – 120 с.
7. ГОСТ Р 52615-2006. Компрессоры и вакуумные насосы. Требования безопасности. Часть 2. Вакуумные насосы. – М.: Изд.стандартов, 2006.
П
Поток
газа
риложения
Рис. 1. Принципиальная схема крионасоса: 1 – криопанель; 2 – экран;
3 – жалюзи; 4 – корпус; 5 – фланцы камеры и насоса; 6 – конденсат
Рис. 2 а) Ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному. Электроны и дырки движутся навстречу друг другу и рекомбинируют. Элемент Пельтье работает как нагреватель;
б) Электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется при попарном рождения электронов и дырок. На это идёт энергия тепловых колебаний атомов решетки.
Рис. 3 Элемент Пельтье
Рис. 4. График «Холодопроизводительность»
ТАБЛИЦА 1. Охлаждение элемента Пельтье
|
t, с |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
130 |
140 |
150 |
|
t, 0С |
24 |
20 |
18 |
15 |
11 |
7 |
3 |
0 |
-3 |
-6 |
-8 |
-10 |
-12 |
-13 |
-14 |
-15 |
Рис. 5. Эксперименты и изображения элемента Пельтье на экране тепловизлра (+15,4 и -1,30С)
Рис. 6. Схема крионасоса
Рис.7. Вентилятор Рис. 8 а, б. Блок питания и термомодуль на его крышке
Рис.9. Вид платы сбоку, сверху, снизу
Рис. 10. Установка в корпус
Рис. 11. а) подготовка к эксперименту; б) элемент Пельтье на радиаторе
Рис. 12. а) добавление воды из шприца; б) колпак закрыт
Рис. 13. а) понижение давления через 1 час после включения модели; б) кристаллы воды, капель воды уже нет; в) показания, снимаемые с датчиков