Bir Kriyopompa nasıl çalışır?

.......... üzerinden paylaş:

Gördüğünüz gibi, soğuk su şebekelerinde veya pencerelerde su yoğuşuyor ve buzdolabınızın evaporatör ünitesinde buz oluşuyor. Gazların ve buharların soğuk yüzeylerde (özellikle su buharı) yoğuşmasının bu etkisi, günlük yaşamda bilindiği gibi, sadece atmosferik basınçta değil, aynı zamanda vakumda da meydana gelir.

Bu etki, özellikle kimyasal proseslerle bağlantılı olarak kondenserlerde uzun süredir kullanılmaktadır; daha önce difüzyon pompalarındaki baffle, soğutma makineleri ile soğutulmaktaydı. Ayrıca kapalı bir alanda (vakum haznesi) soğuk bir yüzeyde kondensat oluşması, hacimden çok sayıda gaz molekülünün çıkarılması anlamına gelir: Bunlar soğuk yüzeyde kalır ve vakum haznesi içindeki telaşlı gaz atmosferine artık katılmaz. Ardından partiküllerin pompalandığını ve soğuk yüzeyler aracılığıyla "pompalama etkisi" elde edildiğinde kriyopompalardan bahsettiğimizi söyleriz.

Kriyo mühendisliği, kriyo mühendisliğinde yer alan sıcaklıkların 120 K'nın (< -243.4°F / -153°C) altında olması nedeniyle soğutma mühendisliğinden farklıdır. Burada iki soruyla ilgileniyoruz:
a) Kriyo mühendisliğinde veya kriyopompalarda hangi soğutma prensibi kullanılır ve soğuk yüzeyin termal yükü nasıl uzaklaştırılır veya azaltılır?
b) Kriyopompaların çalışma ilkeleri nelerdir?

Kriyopompa türleri

Soğutma prensibine bağlı olarak şunlar arasında ayrım yapılır:

Banyo kriyostatları
Sürekli akışlı kriyopompalar
Buzdolabı kriyopompaları

Banyo Kriyostatları

Banyo kriyostatlarında - en basit durumda LN₂ (sıvı nitrojen) ile doldurulmuş bir soğuk kapan - pompalama yüzeyi sıvılaştırılmış gazla doğrudan temas ederek soğutulur. LN₂ (T ≈ 77 K) ile soğutulan bir yüzeyde H₂O ve CO₂ yoğuşabilir. ≈ 10 K'ya soğutulmuş bir yüzeyde, He ve Ne hariç tüm gazlar yoğuşma yoluyla pompalanabilir. Sıvı helyum (T ≈ 4,2 K) ile soğutulan bir yüzey, helyum hariç tüm gazları yoğuşturabilir.

Sürekli akışlı kriyopompalar

Sürekli akışlı kriyopompalarda soğuk yüzey bir ısı eşanjörü olarak çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Yeterli miktarda sıvı helyum, soğuk yüzeyde (kriyopanel) yeterince düşük bir sıcaklığa ulaşmak için bir yardımcı pompa tarafından bir rezervuardan buharlaştırıcıya pompalanır.
Sıvı helyum ısı eşanjöründe buharlaşır ve böylece kriyopanel soğutulur. Üretilen atık gaz (He), sistemi dışarıdan gelen termal radyasyona karşı koruyan bir termal radyasyon kalkanının bölmesini soğutmak için ikinci bir ısı eşanjöründe kullanılır. Helyum pompası tarafından çıkarılan soğuk helyum egzoz gazı bir helyum geri kazanım ünitesine beslenir. Kriyopanellerdeki sıcaklık, helyum akışı kontrol edilerek kontrol edilebilir.

Buzdolabı kriyopompaları

Günümüzde buzdolabı kriyopompaları neredeyse sadece (talep üzerine soğuk) olarak kullanılmaktadır. Bu pompalar temelde yaygın bir ev tipi buzdolabıyla aynı şekilde çalışır, ancak soğutucu olarak helyum kullanılarak aşağıdaki termodinamik döngüler kullanılabilir:

Gifford-McMahon süreci
Stirling prosesi
Brayton yöntemi
Claude süreci

Günümüzde çoğunlukla Gifford-McMahon prosesi kullanılmaktadır ve bu proses en ileri düzeyde geliştirilmiştir. Büyük kompresör ünitesinin ve soğutma işleminin gerçekleştiği genişletme ünitesinin konumlarını ayırma olanağı sunar. Böylece kompakt ve düşük titreşimli bir soğuk kaynak tasarlanabilir. Leybold tarafından üretilen kriyopompa serileri, aşağıda ayrıntılı olarak anlatılan Gifford-McMahon prosesine göre iki aşamalı soğuk kafalarla çalışır.

Bir buzdolabı kriyopompasının tüm kapsamı Şekil 2,65'ten oluşur ve esnek basınç hatları (2) aracılığıyla ve dolayısıyla titreşimsiz bir şekilde kriyopompaya (3) bağlı olan kompresör ünitesinden (1) oluşur. Kriyopompanın kendisi pompa muhafazasından ve içindeki soğuk başlıktan oluşur. Helyum, kompresör yardımıyla kapalı bir döngüde dolaşan soğutucu olarak kullanılır.

2.65 Bir buzdolabı kriyopompasının tüm öğeleri.

Kompresör ünitesi
Esnek basınç hattı
Soğuk kafa (yoğuşma yüzeyleri olmadan)

Soğuk kafa ve çalışma prensibi

Soğuk kafa içinde bir silindir, bir yer değiştirici ile V₁ ve V₂ olmak üzere iki çalışma alanına ayrılır. Çalışma sırasında sağ alan V1 sıcak ve sol alan V₂ soğuktur. Deplasman frekansında f, buzdolabının soğutma gücü W şu şekildedir: (2,26)

2,26

Deplasman, gaz deplasmandan ve böylece deplasmanın içinde bulunan rejeneratörden geçecek şekilde pnömatik olarak ileri ve geri hareket ettirilir. Rejeneratör, döngü içinde bir ısı eşanjörü olarak çalışan büyük bir ısı değişim yüzeyine ve kapasitesine sahip bir ısı akümülatörüdür. Şekilde gösterilmiştir 2,66, Gifford-McMahon prensibine göre çalışan tek aşamalı bir buzdolabı soğuk kafasındaki dört soğutma aşamasıdır.

Şekil 2,66 Gifford-McMahon prosesine göre çalışan tek aşamalı soğuk kafa kullanılarak soğutma aşamaları.

1. aşama:
Yer değiştirici sol ölü noktadadır; soğuğun üretildiği V₂ minimum boyutuna sahiptir. Valf N kapalı kalır, H açılır. p_H basıncındaki gaz rejeneratörden V _2'ye akar. Burada gaz V _1'deki basınç artışı ile ısınır.

2. aşama:
Valf H açık kalır, valf N kapalı kalır: deplasman sağa hareket eder ve gazı V _1'den rejeneratörden geçirerek V _2'ye atar, burada soğuk rejeneratörde soğur.; V₂ maksimum hacmine sahiptir.

Üçüncü adım:
Valf H kapatılır ve valf N alçak basınç haznesine açılır. Gaz p _H'den pN'ye genleşir ve böylece soğur. Bu, çevredeki ısıyı giderir ve genleşen gazla birlikte kompresöre taşınır.

Dördüncü adım:
Valf N açıkken deplasman sola doğru hareket eder; V _2,maks'tan gelen gaz rejeneratörden geçer, onu soğutur ve ardından V₁ hacmine ve alçak basınç haznesine akar. Döngü tamamlanmıştır.

Leybold GM Soğuk Kafa Çalışma Prensibi

Take a look at this video to see how a cool head works in a cryopump

İki kademeli soğuk kafa

Leybold'un seri olarak üretilen soğutucu kriyopompaları, Gifford-McMahon prensibine göre çalışan iki aşamalı bir soğuk kafa kullanır (bkz. Şekil 2,67). İki seri bağlı kademede, helyumun sıcaklığı birinci kademede yaklaşık 30 K'ye ve ikinci kademede yaklaşık 10 K'ya düşürülür. Ulaşılabilir düşük sıcaklıklar diğerlerinin yanı sıra rejeneratörün türüne bağlıdır. Genellikle birinci kademenin rejeneratöründe bakır bronz ve ikinci kademede kurşun kullanılır. Aşırı düşük sıcaklıklar (T < 10 K) için kriyostatlar gibi özel uygulamalar için rejeneratör olarak başka malzemeler de mevcuttur. İki aşamalı soğuk kafanın tasarımı Şekil 2,67. Kontrol diskli (17) ve kontrol delikli motor tahrikli kontrol valfi (18) olan bir kontrol mekanizması aracılığıyla önce kontrol hacmindeki (16) basınç değiştirilir, bu da birinci kademenin ve ikinci kademenin (11) pistonlarının (6) hareket etmesine neden olur; hemen ardından silindirin tüm hacmindeki basınç kontrol mekanizması tarafından dengelenir. Soğuk kafa, esnek basınç hatları aracılığıyla kompresöre bağlıdır.

Şekil 2,67 İki aşamalı soğuk kafa şeması.

Soğuk kafadaki motor için elektrik bağlantıları ve akım beslemesi
Yüksek basınç bağlantısı
Alçak basınç bağlantısı
Silindir, 1. kademe
Deplasman, 1. kademe
Rejeneratör, 1. kademe
Genleşme hacmi, 1. kademe
1. (soğutma) kademe (bakır flanş)
Silindir, 2. kademe
Deplasman, 2. kademe
Rejeneratör, 2. kademe
Genleşme hacmi, 2. kademe
2. (soğutma) kademe (bakır flanş)
Buhar basıncı için ölçüm bölmesi
Kontrol pistonu
Hacim Kontrolü
Kumanda diski
Kontrol vanası
Hidrojen buharı basınç termometresi için gösterge
Soğuk kafadaki motor

Buzdolabı kriyopompalarının tasarımı

Şekil 2,68 bir kriyopompanın tasarımını göstermektedir. İki kademeli bir soğuk kafa ile soğutulur. Saptırıcılı (6) termal radyasyon kalkanı (5), soğuk kafanın birinci kademesine (9) termal olarak yakından bağlıdır. 10 ^-3 mbar'ın altındaki basınçlarda termal yük çoğunlukla termal radyasyondan kaynaklanır. Bu nedenle, kondensasyon ve kriyosorpsiyon panelleri (8) içeren ikinci kademe (7), iç tarafı siyah ve parlatılmış olan ve dış tarafı nikel kaplı olan termal radyasyon kalkanı (5) ile çevrelenmiştir. Yüksüz koşullarda bölme ve termal radyasyon kalkanı (birinci kademe), kriyopanellerde 50 ila 80 K ve ikinci kademede yaklaşık 10 K arasında bir sıcaklığa ulaşır. Bu kriyopanellerin yüzey sıcaklıkları, gerçek pompalama prosesi için belirleyicidir. Bu yüzey sıcaklıkları, soğuk kafa tarafından sağlanan soğutma gücüne ve pompa gövdesi yönündeki termal iletim özelliklerine bağlıdır. Kriyopompanın çalışması sırasında, gaz ve yoğuşma ısısından kaynaklanan yüklenme kriyopanellerin daha fazla ısınmasına neden olur. Yüzey sıcaklığı sadece kriyopanelin sıcaklığına değil, aynı zamanda kriyopanel üzerinde dondurulmuş olan gazın sıcaklığına da bağlıdır. Soğuk kafanın ikinci kademesine (7) takılan kriyopaneller (8), kolayca yoğuşmayan ve yalnızca kriyosorpsiyonla pompalanabilen gazları pompalayabilmek için iç kısımda aktif karbonla kaplanmıştır (aşağıya bakın).

Şekil 2,68 Bir buzdolabı kriyopompasının tasarımı (şematik şema).

Yüksek vakum flanşı
Pompa muhafazası
Ön vakum flanşı
Gaz tahliyesi için emniyet valfi
Isıdan koruma sacı
Bölme
Soğuk kafanın 2. aşaması (≈10 K);
Cryopanels
Soğuk kafanın 1. aşaması (≈ 50 - 80 K)
Hidrojen buharı basınç termometresi için gösterge
Helyum gazı bağlantıları
Gövdeli ve elektrik bağlantılı soğuk kafa motoru

Bir kriyopompanın pompalama animasyonunu iş başında görmek için aşağıdaki videoyu izleyin

Leybold COOLVAC iCL

Gazların soğuk yüzeylere bağlanması

Yoğuşan (katı) gazların termal iletkenliği, yapılarına ve dolayısıyla kondensin üretilme şekline büyük ölçüde bağlıdır. Isı iletkenliğinde çeşitli büyüklüklerdeki değişimler mümkündür! Kondensin kalınlığı arttıkça, termal direnç ve dolayısıyla yüzey sıcaklığı da artar ve bu da pompalama hızını azaltır. Yeni rejenere edilmiş bir pompanın maksimum pompalama hızı, nominal pompalama hızı olarak belirtilir. Kriyopompadaki çeşitli gazlar için bağlama işlemi üç adımda gerçekleştirilir: ilk olarak farklı gazların ve buharların karışımı yaklaşık 80 K sıcaklıktaki bölme ile karşılaşır. Burada çoğunlukla H₂O ve CO₂ yoğunlaşır. Kalan gazlar bölmeye girer ve yaklaşık 10 K'ye soğutulan ikinci aşamanın kriyopanelinin dışına çarpar. Burada N₂, O₂ veya Ar gibi gazlar yoğunlaşır. Yalnızca H₂, He ve Ne kalacaktır. Bu gazlar kriyopaneller tarafından pompalanamaz ve termal radyasyon kalkanı ile birkaç darbeden sonra bu panellerin içine geçerler. Bu paneller, adsorbanla kaplıdır (kriyosorpsiyon panelleri) ve kriyosorpsiyonla bağlanırlar. Bu nedenle, bir kriyopompayı değerlendirmek amacıyla gazlar, kriyopompa içindeki sıcaklıkların kısmi basınçlarının 10 ^-9 mbar'ın altına düşmesine bağlı olarak üç gruba ayrılır:

Farklı yapıştırma mekanizmaları aşağıdaki gibi ayırt edilir:

Kriyokondensasyon

Kriyokondensasyon, gaz moleküllerinin Van der Waals kuvvetleri aracılığıyla aynı malzemenin yeterince soğuk yüzeylerine fiziksel ve tersine çevrilebilir şekilde bağlanmasıdır. Bağlama enerjisi, yüzeye bağlı katı gazın buharlaşma enerjisine eşittir ve bu nedenle kondensin kalınlığı arttıkça buhar basıncı da azalır. Kriyosorpsiyon, gaz moleküllerinin Van der Waals kuvvetleri aracılığıyla diğer malzemelerin yeterince soğuk yüzeylerine fiziksel ve tersine çevrilebilir şekilde bağlanmasıdır. Bağlama enerjisi, buharlaşma ısısından daha büyük olan adsorpsiyon ısısına eşittir. Tek katman oluştuğunda, aşağıdaki moleküller aynı türde bir yüzeye (emici) çarpar ve işlem kriyokondensasyona dönüşür. Kriyokondensasyon için daha yüksek bağ enerjisi, kondensat katmanının daha fazla büyümesini önleyerek adsorbe edilen gazların kapasitesini sınırlar. Ancak, aktif karbon, silika jel gibi kullanılan emiciler, alüminyum jeli ve moleküler elek, yaklaşık 10⁶m² /kg'lık çok büyük özgül yüzey alanlarına sahip gözenekli bir yapıya sahiptir. Kriyo-hapsedilme, Ar, CH4 veya CO2 gibi daha yüksek kaynama noktasına sahip ve kolayca pompalanabilen bir gazın matrisine hidrojen gibi pompalanması zor olan düşük kaynama noktası gazının dahil edilmesi olarak anlaşılır. Aynı sıcaklıkta kondensat karışımının doygun buhar basıncı, daha düşük kaynama noktasına sahip gazın saf kondensatından birkaç büyüklük derecesi daha düşüktür.

Kriyopompadaki kriyopanellerin konumu, vakum flanşından bu yüzeye olan iletkenlik ve ayrıca çıkarıcı pompalama sırası göz önünde bulundurulduğunda (bölmede zaten yoğuşmuş olanlar ikinci kademeye ulaşamaz ve orada kapasite tüketir), Şekil 2,69.

Şekil 2,69 Kriyopaneller - sıcaklık ve konum, kriyopompadaki verimliliği tanımlar.

Hidrojen - Su buharı - Azot
Giriş flanşının l / s · cm² cinsinden alana bağlı iletkenliği:
43,9           -      14,7         -      11,8
Kriyopompanın l / s · cm² cinsinden alana bağlı pompalama hızı:
13,2          -       14,6         -        7,1
Pompalama hızı ile iletkenlik arasındaki oran:
30 %          -       99 %       -      60 %

Pompaya giren gaz molekülleri, T = 293 K olan denklem 2.29a'ya göre alanla ilgili teorik pompalama hızını üretir. Yukarıda belirtilen grupların her birinden alınan üç temsili gaz H₂, N₂ ve H₂0 için farklı pompalama hızları birleştirilmiştir. Su buharı, kriyopompanın tüm giriş alanında pompalandığından, su buharı için ölçülen pompalama hızı, kriyopompanın giriş flanşı için hesaplanan teorik pompalama hızına neredeyse tam olarak karşılık gelir. Diğer taraftan N _2,kriyokondensasyon paneline yapışmadan önce bölmenin üzerinden geçmelidir. Bölmenin tasarımına bağlı olarak tüm N₂ moleküllerinin yüzde 30 ila 50'si yansıtılır.

(2.29a)

H ₂, daha fazla çarpışmadan sonra kriyosorpsiyon panellerine ulaşır ve böylece gazı soğutur. Optimum tasarlanmış kriyopaneller ve aktif karbonla iyi temas durumunda, bölmenin üstesinden gelen H _2'nin yüzde 50'sine kadarı yapıştırılabilir. Pompalama yüzeylerine erişim kısıtlamaları ve gazın pompalama yüzeyine ulaşmadan önce pompanın içindeki duvarlarla çarpışarak soğutulması nedeniyle, bu iki gaz için ölçülen pompalama hızı teorik pompalama hızının yalnızca bir kısmına eşittir. Pompalanmayan kısım esas olarak bölme tarafından yansıtılır. Ayrıca, H₂ için adsorpsiyon olasılığı çeşitli adsorbanlar arasında farklılık gösterir ve < 1 iken, su buharı ve N₂ için kondensasyon olasılığı ≈ 1'dir.

Pompalanabilen gazlar için pompanın üç farklı kapasitesi üç yüzeyin boyutundan (bölme, ikinci kademenin dışındaki yoğuşma yüzeyi ve ikinci kademenin içindeki soğurma yüzeyi) oluşur. Bir kriyopompanın tasarımında, doğal olarak tüm vakum işlemleri (örneğin püskürtme işlemleri) için geçerli olmayan ortalama bir gaz bileşimi (hava) varsayılır. Aşağıdaki "Kısmi Rejenerasyon" bölümüne bakın.)

Bir kriyopompanın karakteristik miktarları

Bir kriyopompanın karakteristik miktarları aşağıdaki gibidir (belirli bir sırayla değil):

Soğuma Süresi
Geçiş değeri
Maksimum basınç
Kapasite
Soğutma gücü ve net soğutma gücü
Rejenerasyon süresi
Verim ve maksimum pV akışı
Pompalama hızı
Kullanım ömrü veya çalışma süresi
Başlatma Basıncı

Soğuma Süresi

Kriyopompaların soğuma süresi, başlatmadan pompalama etkisinin başlamasına kadar geçen süredir. Soğutucu kriyopompalarda soğuma süresi, soğuk kafanın ikinci aşamasının 293 K'dan 20 K'ye soğuması için gereken süre olarak belirtilir.

Geçiş değeri

Geçiş değeri, zaten soğuk olan bir buzdolabı kriyopompasının karakteristik bir miktarıdır. Pompa bir HV / UHV valfi aracılığıyla bir vakum haznesine bağlandığında önemlidir. Geçiş değeri, vakum haznesinin maksimum olarak içerebileceği T_n =293 K'ya göre gaz miktarıdır, böylece kriyopanellerin sıcaklığı valf açılırken gaz patlaması nedeniyle 20 K'nın üzerine çıkmaz. Geçiş değeri genellikle mbar · l cinsinden bir pV değeri olarak belirtilir.

Geçiş değeri ve hazne hacmi V, kriyopompaya giden valfi açmadan önce vakum haznesinin tahliye edilmesi gereken geçiş basıncı pc ile sonuçlanır. Aşağıdakiler kılavuz olarak kullanılabilir:

(2,27)

V = Vakum haznesinin hacmi (l),
Q2(20K) = 20 K'de soğuk kafanın ikinci aşamasında mevcut olan Watt cinsinden net soğutma kapasitesi.

Maksimum basınç p_uç

Kriyokondensasyon durumunda (yukarıdaki "Gazların soğuk yüzeylere bağlanması" bölümüne bakın) en yüksek basınç şu şekilde hesaplanabilir:

(2,28)

p _S,kriyopanelin TK sıcaklığında pompalanacak olan gazın veya gazların doygunluk buhar basıncıdır ve T _G, gaz sıcaklığıdır (kriyopanelin yakınındaki duvar sıcaklığı).

Örnek: Şekil 'deki buhar basıncı eğrileri yardımıyla 9,15 H₂ ve N₂ için Tablo 2,6'da özetlenen nihai basınçlar TG = 300 K sonucunda elde edilir.

Şekil 9,15 T = 2 - 80 K sıcaklık aralığında kriyojenik teknolojiyle ilgili çeşitli maddelerin doygunluk buhar basıncı ps.

Tablo, T_G = 300 K gaz sıcaklığında T < 3 K sıcaklıklardaki hidrojen için (yani kriyopanel duvarın termal radyasyonuna maruz kaldığında) yeterince düşük nihai basınçlara ulaşılabileceğini göstermektedir. Duvardan desorpsiyon ve sızıntılar gibi bir dizi müdahale faktörü nedeniyle, teorik en yüksek basınçlara pratikte ulaşılamaz.

Tablo 2,6.300 K duvar sıcaklığında maksimum sıcaklıklar

Kapasite C (mbar · l)

Belirli bir gaz için bir kriyopompanın kapasitesi, bu tür gaz G'nin pompalama hızı başlangıç değerinin %50'sinin altına düşmeden önce kriyopaneller tarafından bağlanabilen gaz miktarıdır (Tn = 293 K'da pV değeri).
Kriyosorpsiyon yoluyla pompalanan gazların kapasitesi, soğurma maddesinin miktarına ve özelliklerine bağlıdır; basınç bağımlıdır ve genellikle kriyokondensasyon yoluyla pompalanan gazlar için basınçtan bağımsız kapasiteye kıyasla birkaç büyüklük derecesi daha düşüktür.

Soğutma gücü Q. (W)

T sıcaklığında bir soğutma kaynağının soğutma gücü, soğutma kaynağı tarafından çıkarılabilen ısı miktarını verirken bu sıcaklığı da korur. Buzdolapları söz konusu olduğunda, tek kademeli soğuk başlıklar için soğutma gücünün 80 K, iki kademeli soğuk başlıklar için ise birinci kademe için soğutma gücünün 80 K ve ikinci kademe için ise her iki kademe aynı anda termal olarak yüklendiğinde 20 K olarak belirtilmesi kararlaştırılmıştır. Soğutma gücünün ölçümü sırasında termal yük elektrikli ısıtıcılar tarafından üretilir. Soğutma gücü oda sıcaklığında en yüksektir ve en yüksek sıcaklıkta en düşüktür (Sıfır).

Net soğutma gücü Q. (W)

Buzdolabı kriyopompaları durumunda, normal çalışma sıcaklıklarında (T1 < 80 K, T2 < 20 K) mevcut olan net soğutma gücü büyük ölçüde verimi ve geçiş değerini tanımlar. Ağ. soğutma gücü - pompa yapılandırmasına bağlı olarak - pompa olmadan kullanılan soğuk kafanın soğutma gücünden çok daha düşüktür.

pV akışı

Akış Türleri sayfasına bakın

Rejenerasyon süresi

Bir gaz yakalama cihazı olarak, kriyopompa belirli bir çalışma süresinden sonra rejenere edilmelidir. Rejenerasyon, yoğuşan ve adsorbe edilen gazların ısıtılarak kriyopanellerden uzaklaştırılmasını içerir. Rejenerasyon tamamen veya sadece kısmen çalıştırılabilir ve temel olarak kriyopanellerin ısıtılma şekline göre farklılık gösterir.

Toplam rejenerasyonda aşağıdakiler arasında ayrım yapılır:

Doğal ısıtma: Kompresör kapatıldıktan sonra, kriyopaneller öncelikle ısı iletimi yoluyla ve daha sonra serbest bırakılan gazlar yoluyla çok yavaş ısınır.
Temizleme gazı yöntemi: Kriyopompa sıcak temizleme gazı verilerek ısıtılır.
Elektrikli ısıtıcılar: Kriyopompanın kriyopanelleri birinci ve ikinci aşamadaki ısıtıcılar tarafından ısıtılır. Açığa çıkan gazlar bir aşırı basınç valfi (temizleme gazı yöntemi) veya mekanik destek pompaları aracılığıyla tahliye edilir. Pompanın boyutuna bağlı olarak birkaç saatlik bir rejenerasyon süresi beklenmelidir.

Kısmi rejenerasyon

Bir kriyopompanın hizmet ömründeki sınırlama çoğu uygulamada ikinci kademe tarafından pompalanan azot, argon ve hidrojen gazlarının kapasite sınırına bağlı olduğundan, genellikle sadece bu kademeyi rejenere etmek gerekir. Kısmi rejenerasyon sırasında su buharı bölme sacıyla tutulur. Bunun için birinci aşamanın sıcaklığı 140 K'nın altında tutulmalıdır, aksi takdirde su buharının kısmi basıncı, su moleküllerinin ikinci aşamadaki adsorbanı kirleteceği kadar yüksek olacaktır.

1992 yılında Leybold, bu tür bir kısmi rejenerasyona izin veren bir yöntem geliştiren ilk kriyopompa üreticisiydi. Bu hızlı rejenerasyon işlemi mikroişlemci kontrollüdür ve temizleme gazı yöntemine dayalı toplam rejenerasyon için gereken 6 saate kıyasla yaklaşık 40 dakikada kriyopompanın kısmi rejenerasyonuna izin verir. Toplam ve kısmi rejenerasyon için tipik çevrimler arasındaki karşılaştırma Şekil 2,70. Hızlı Rejenerasyon Sisteminin sağladığı zaman tasarrufu belirgindir. Tipik püskürtme işlemleri için üretim ortamında 24 kısmi rejenerasyondan sonra toplam bir rejenerasyon beklenmelidir.

Şekil 2,70 Toplam (1) ve kısmi (2) rejenerasyon karşılaştırması

Verim ve maksimum pV akışı: (mbar l/s)

Belirli bir gaz için bir kriyopompanın verimi, pompanın giriş açıklığından geçen gaz G'nin pV akışına bağlıdır:

Q_G = q _pV,G; aşağıdaki denklem geçerlidir
Q_G = p_G · S_G ve
p_G = giriş basıncı,
S_G = gaz G için pompalama kapasitesi

Sürekli çalışma durumunda kriyopanellerin T ≈ 20 K'ya kadar ısıtıldığı maksimum pV akışı, bu sıcaklıkta pompanın net soğutma gücüne ve gaz türüne bağlıdır. Soğutucu kriyopompaları ve yoğuşabilir gazlar için aşağıdakiler kılavuz olarak alınabilir:

Q.2 (20 K), 20 K'da soğuk ısının ikinci aşamasında mevcut olan Watt cinsinden net soğutma gücüdür. Aralıklı çalışma durumunda daha yüksek bir p_V akışına izin verilir (bkz. geçiş değeri).

Pompalama hızı S_th

Bir kriyopompanın (teorik) pompalama hızı için aşağıdakiler geçerlidir:

(2,29)

A_K - Kriyopanellerin boyutu
S_A - Yüzey alanı ile ilgili pompalama hızı (denklem 1,17 ve 1,20'ye göre alanla ilgili darbe oranı, kriyopanel yönündeki gaz moleküllerinin ortalama hızı ile orantılıdır).
α - Yoğuşma olasılığı (pompalama)
p _sonu - En yüksek basınç (yukarıya bakın)
p - Vakum haznesindeki basınç

(1,17)

(1,20)

Denklem (2,29), yüzey alanı vakum haznesinin yüzeyine kıyasla küçük olan, vakum haznesine yerleştirilmiş bir kriyopanel için geçerlidir. Yeterince düşük sıcaklıklarda α = 1 tüm gazlar için. Denklem (2,29), p >> pend için parantez içindeki ifadenin 1'e yaklaştığını göstermektedir, böylece aşırı doygun durumda p >> pend > Ps şu şekildedir:

(2.29a)

TG - K cinsinden gaz sıcaklığı
M - Molar kütle

Tablo 2,7'de, denklem 2.29a'ya göre belirlenen iki farklı gaz _{sıcaklığındaki bazı gazlar için yüzey alanına bağlı pompalama hızı SA l · s ^-1 · cm ^-2 olarak} verilmiştir. Tabloda belirtilen değerler sınır değerlerdir. Pratikte, neredeyse bozulmamış bir dengenin (büyük bir duvar yüzeyine kıyasla küçük kriyopaneller) durumu genellikle doğru değildir, çünkü kısa pompalama süreleri ve iyi bir uç vakum elde etmek için büyük kriyopaneller gerekir. Sapmalar, kriyopaneller, nüfuz eden moleküllerin hızının soğutmayla zaten azaltıldığı soğutulmuş bir bölme ile çevrelendiğinde de oluşur.

Tablo 2,7 Bazı gazlar için yüzeye bağlı pompalama hızları

Kullanım ömrü veya çalışma süresi: üst (s)

Belirli bir gaz için kriyopompanın çalışma süresi aşağıdaki denkleme bağlıdır:

şunlarla:

C_G = G gazı için kriyopompanın kapasitesi
Q_G (t) = Zaman noktası t'de gaz için kriyopompanın verimi

Geçiş QG için zaman içinde sabit ortalama biliniyorsa, aşağıdakiler geçerlidir:

(2,30)

Çalışma süresi t _op,G geçtikten sonra kriyopompa, gaz türü G'ye göre rejenere edilmelidir.

Başlangıç basıncı p_o

Temel olarak, bir kriyopompayı atmosferik basınçta başlatmak mümkündür. Bununla birlikte, bu birçok nedenden dolayı istenmez. Gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu vakum haznesinin boyutlarından küçük olduğu sürece (p > 10 ^-3 mbar), gazın termal iletkenliği kabul edilemeyecek kadar büyük miktarda ısının kriyopanellere aktarılmasına neden olur. Ayrıca, başlatma sırasında kriyopanel üzerinde nispeten kalın bir kondensat tabakası oluşurdu. Bu, asıl çalışma aşamasında mevcut olan kriyopompanın kapasitesini önemli ölçüde azaltacaktır. Gaz (genellikle hava) emiciye bağlanır, çünkü bunun için bağlama enerjisi yoğuşma yüzeylerine göre daha düşüktür. Bu, hidrojen için halihazırda sınırlı olan kapasiteyi daha da azaltacaktır. Yüksek vakum veya ultra yüksek vakum aralığındaki kriyopompaların p < 5 · 10 ^-2 mbar basınçlarda bir destek pompası yardımıyla başlatılması önerilir. Başlangıç basıncına ulaşılır ulaşılmaz destek pompası kapatılabilir.

Blog & Wiki Pump Types Vacuum Generation Vacuum Fundamentals

Vakum Teknolojisinin Temelleri 

Vakum pompası temellerini ve proseslerini keşfetmek için "Vakum Teknolojisinin Temelleri" adlı e-Kitabımızı indirin. 

e-Kitabı görüntüle

Referanslar

Vakum sembolleri
Terimler Sözlüğü
Referanslar ve kaynaklar

Vakum sembolleri

Pompa tiplerinin ve pompalama sistemlerindeki parçaların görsel bir temsili olarak vakum teknolojisi şemalarında yaygın olarak kullanılan sembollerin sözlüğü

Ayrıntıları göster

Terimler Sözlüğü

Vakum teknolojisinde kullanılan ölçüm birimlerine ve sembollerin ne anlama geldiğine ve tarihi birimlerin modern eşdeğerlerine genel bir bakış

Ayrıntıları göster

Referanslar ve kaynaklar

Vakum teknolojisinin temel bilgileriyle ilgili referanslar, kaynaklar ve daha fazla okuma

Ayrıntıları göster

Vakum sembolleri

Pompa tiplerinin ve pompalama sistemlerindeki parçaların görsel bir temsili olarak vakum teknolojisi şemalarında yaygın olarak kullanılan sembollerin sözlüğü

Ayrıntıları göster