低溫容器抽氣時存在的主要問題
發布時間:2019-05-07 21:22:02 | 人感興趣 | 評分:3 | 收藏:
多層絕熱的液氦容器和液氮生物容器的典型結構是由內膽、外殼、支撐部分、多層絕熱層、低溫吸附劑和抽氣嘴組成,如圖15-22所示。
容器的抽氣是通過抽氣嘴與抽氣管道和機械泵、擴散泵組成的高真空抽氣機組連接后進行的。
抽氣的主要目的是:s*先將容器夾層空間的氣體抽出,然后將容器內的材料放氣量降低到允許的范圍,并促使吸附劑活化,以保證低溫容器在5年-10年壽命期間始終具有良好的真空絕熱性能。
低溫客器抽氣困難是由于存在下面一些特殊問題造成的:
①氣體負荷大。抽氣時,容器內的氣體負荷來源于容器壁、支撐、絕熱材料和吸附劑的放氣,以及容器的漏氣。當漏氣量被限制在允許范圍時,氣體負荷主要來源于絕熱材料的放氣,其次是吸附劑脫附的氣體。絕熱材料一般都要包扎數十層,每層又都是雙面放氣,實際放氣面積比容器壁面積大數十倍,甚至上百倍,再加上有些絕熱材料如玻璃纖維布和鍍鋁滌綸薄膜的放氣率高,造成很大的放氣量。而常用的吸附劑(分子篩、活性炭、硅膠等)又都是多孔性材料,具有巨大的比表面積(800m2/g左右),在常溫常壓下具有一定的吸氣性能,裝配過程中不可避免地要吸附大量的水蒸氣等氣體,而在抽氣時重新脫附。因此低溫容器內的氣體負荷遠遠高于相同容積的一般動態高真空設備的氣體負荷。
②流導小。低溫容器的流導受限于絕熱層間隙和抽氣嘴的流導。在包扎幾十層絕熱材料的絕熱層中,層與層間距離近,形成的環形窄縫又特別長,其流導極小。而容器抽氣嘴在抽氣后,需要進行封口。為了封口方便,密封可靠,其直徑就不宜做得太大,因而流導也就較小。
③除氣溫度低。低溫容器中,某些常用的絕熱材料(如鍍鋁滌綸薄膜和尼龍網)、支撐用的隔熱材料(如環氧玻璃鋼和塑料)及密封材料(如真空橡皮),所允許的工作溫度一般在80℃~150℃,致使容器在抽氣中的除氣溫度不可能再升高。
④允許放氣量小。低溫容器是一個需要長期維持靜態真空的真空容器。允許的放氣量是根據容器的大小和壽命的長短及使用吸附劑的吸氣性能來確定的。在單獨使用低溫吸附劑的情況下,通常要求的允許放氣率為10 -2Pa.L/s—l0 -7Pa. L/s。它相當于相同容積的動態超高寞空系統的允許放氣量。
⑤抽氣時加熱效率低。多層絕熱在真空狀態下具有良好的絕熱性能。如果在抽氣過程中對容器進行加熱除氣,會導致絕熱材料和吸附劑升溫困難,溫度分布不均勻,而造成加熱效率很低。
⑥水蒸氣不易抽出。材料放氣時,s*先放出表面吸附的氣體。這些氣體和吸附劑脫附的氣體主要成分都是水蒸氣。水蒸氣的吸附熱高(>105kj/mol),碰撞在材料表面上的平均滯留時間長,不容易脫附。這部分水蒸氣不僅數量大,而且又被包在流導極小的絕熱層內,抽除這些氣體要比一般真空設備抽氣困難得多。這也是低溫容器抽氣時間過長的一個特殊問題。
⑦吸附劑再活化困難。吸附劑在裝入低溫容器前,一般要經過加熱干燥處理或低真空加熱干燥處理使之初步活化。在裝入容器時,要經過多層絕熱層的包扎、組裝、組焊等工序,則不可避免地要暴露在空氣中,又易吸附水蒸氣。因此抽氣時,必須使吸附劑重新活化。但再活化時因受除氣溫度低的限制而達不到所需要的活化溫度(如分子篩活化溫度為400℃左右、活性炭為250℃左右),以及脫附的水蒸氣不易被抽出,致使再活化不充分。
⑧存在油蒸氣返流的影響。凡是采用機械泵和擴散泵抽氣的真空系統,都存在著油蒸氣的返流污染。一般無檔油裝置的擴散泵其返流率約10-2 mg/( cm2.rrun)~10 -3mg/( cm2.min)。增加水冷帽、水冷擋板等擋油措施后,返油率可降低100倍~1000倍。低溫容器的空間容積大,材料表面積多,從抽空到15Pa開始直到抽氣結束,始終存在著從抽氣機組流向容器的定向油蒸氣流。這時容器猶如一種選擇性的捕集油蒸氣的泵。容器內的返流量與機組的返油率、抽氣管道的流導及抽氣時間而成正比。因國產抽氣機組返油率高,對低溫容器的抽氣時間越長返流量越大。返流的油蒸氣與吸附劑的親合力較強(容易被吸附),而且在吸附較多的油蒸氣分子后,影響對氫、氮等氣體的吸附,使其吸氣性能下降,容器的真空壽命縮短。另外,油蒸氣會污染反射屏,嚴重時影響屏的發射率,而使容器的絕熱性能降低。因此,低溫容器抽氣時必須考慮油蒸氣返流的影響。
顯然,上述問題造成低溫容器抽氣非常困難,成為真空獲得領域中當抽氣時間很長時的特殊排氣問題。
還應指出,在低溫容器抽氣時,存在一種特殊的滲透抽氣現象。絕熱層內的材料放氣量大,而流導極小,造成絕熱層內與夾層空間有大的壓差。在這個壓差作用下,氣體分子在反射層之間產生擴散滲透現象。由于屏厚度很薄(6ran—25t.an).表面積又大,在升高溫度時,可增強滲透作用,使絕熱層內的部分氣體能夠擴散滲透到達夾層空間而被泵抽走。這種滲透抽氣現象有利于低溫容器的抽氣。另外,絕熱層材料厚度薄,所含的容積及氣體數量相對較少,也有利于低溫容器的抽氣。
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