φ160冷阱的设计和计算

　　0　前　　言

　　此冷阱是串联于低温再生及检漏真空系统的160管道上,主要用于防止前级泵的返油,因此要求:

　　(1)冷阱的流导不小于同样长度管道的流导;

　　(2)对低温泵的返油率小于2×10-8g/(cm ²·h),或用四极质谱计分析残余气体时基本无油分子谱线;

　　(3)热损失要小,一次灌满液氮后可连续工作几小时;

　　(4)漏气率小于5×10 ^-5 Pa·l/s。

　　1　基本结构

　　根据冷阱的用途和设计要求,设计的冷阱如图1所示。这种冷阱的基本类型属于中心带障板的冷阱,其优点是捕油性能好,既能挡住一次束流,又能防止油分子的爬移,在内胆和上法兰之间的薄壁筒,作为表面油分子的爬移垒,也用来阻挡从胆和外壳之间进入真空容器一端的油分子。内腔凸起和使用人字型障板,流导大。结构简单,冷阱的注液管和排气管同时起支承内胆的作用,操作费用、制造成本都较低,是一种性能优良的冷阱。

　　2　设计计算

　　2.1　冷阱流导的设计

　　在真空系统的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11.4%,基本符合要求。

　　2.2　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2.5 mm。

　　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2.5mm。

　　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5 mm。

　　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σ=2.5 MPa,远小于许用应力[σ]=144 MPa,故进出口管可以作为内胆的支承。

　　2.3　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m1,m2,m3,m4,m5。