NEVAC examen Middelbare Vacuümtechniek Vrijdag 7 aril 006, 4:00-6:30 uur Dit examen bestaat uit 4 vraagstukken en 5 agina s Vraagstuk (MV-06-) (0 unten) We beschouwen een vacuümkamer, die wordt gebruikt om instrumenten voor de ruimtevaart in te testen o hun geschiktheid. De kamer is niet uitstookbaar. Onderstaande vragen betren de navolgende onderdelen en comonenten, die o/aan de kamer zijn aangebracht: een kijkvenster een luchtsluis met rechthoekige deur een differentieel geomte draaidoorvoer (max. 60 omw/min) Geef een kort en bondig antwoord o de navolgende 5 vragen. a) chets een mogelijke constructie voor een kijkvenster met een demontabel kijkglas. Benoem daarin de gebruikte onderdelen. b) De rechthoekige deur van de luchtsluis wordt afgedicht met een viton O-ring. Is de O-ring groef in de lengterichting uitgevoerd met haakse of ronde hoeken? Plaatst u de groef in de deur of in het kozijn? Motiveer uw antwoorden. c) De breedte en diete van de O-ring groef worden beaald door comressie, dood volume en shore hardheid. Leg uit wat met deze 3 begrien wordt bedoeld. d) Aan welke groefsoort geeft u de voorkeur: een zwaluwstaart-groef of een groef met rechthoekige doorsnede? Licht toe waarom. e) Laat aan de hand van een schets zien hoe u een niet-uitstookbare differentieel geomte draaidoorvoer zou ontweren. Let daarbij o materiaalkeuze, ontgassing van oervlakken en afdichting. Benoem de gebruikte onderdelen en laat duidelijk uitkomen wat u verstaat onder differentieel geomt.
Vraagstuk (MV-06-) (0 unten) T.b.v kernfysische exerimenten is een latte doosvormige vacuümkamer met een diete van 0 cm, een breedte van meter en hoogte van 5 meter aan de bovenzijde afgedekt met twee katonfolies A en B (afm. 0, x m). Aan de kamer wordt geomt met een omcombinatie bestaande uit een turbomoleculairom TMP en een draaischuifom VP. Onderstaande figuur toont een schets van het systeem. Verdere gegevens en aannames: - Pomsnelheid turbomoleculairom aan de vacuümkamer TMP = 00 l/s - Pomsnelheid draaischuifom VP = m 3 /h - Permeatiegasstroom door het katonfolie bij atmosfeer drukverschil = 0 - Pa.m 3 /s.m - Wandontgassing kamer = 0-5 Pa.m 3 /s.m. Deze ontgassing mag constant in de tijd worden verondersteld. - In de navolgende berekeningen mag de omweerstand van de doosvormige vacuümkamer worden verwaarloosd. 5 m We gaan uit van het systeem in volledig beluchte toestand. Tijdens het afomen wordt de afsluiter V in de verbindingsleiding vanaf de ruimte tussen beide folies naar de voorom aanvankelijk gesloten gehouden. Over het folie A heerst dan atmosfeer drukverschil. a) Bereken de bereikbare einddruk in de vacuümkamer. b) Bereken de voordruk van de TMP bij de in a) berekende einddruk. Vervolgens wordt de ruimte tussen beide folies geëvacueerd met de voorom. Hiermee komt het drukverschil van atmosfeer over folie B te staan i..v over folie A. c) Verwacht u verbetering van de einddruk in de vacuümkamer door het evacueren van de ruimte tussen de folies? Geef een toelichting. d) Wat wordt in deze situatie de einddruk in de vacuümkamer? e) Verandert de voordruk van de TMP t.o.v. de onder unt b berekende waarde? Geef een toelichting.
Vraagstuk 3 (MV-06-3) (0 unten) Een goede dievrieskist is, na te zijn geoend en weer gesloten, moeilijk direct daaro weer oen te krijgen. Dit is het gevolg van een drukdaling in de kist gedurende een beaalde eriode na het sluiten. We beschouwen een lege dievrieskist met een inhoud van 00 liter en een wandtemeratuur van 0 C. Tijdens het oenen vermengt de lucht in de kist zich met warmere omgevingslucht. Neem aan dat de temeratuur van de lucht in de kist hierdoor stijgt naar +5 C. Na het sluiten daalt deze temeratuur in ca. minuut weer naar -0 C. Direct na het sluiten (bij +5 C) bedraagt de druk in de dievrieskist 98 mbar en bezit een relatieve vochtigheid van 50%. De damdruk van verzadigde waterdam bij +5 C is 900 Pa en bij 0 C 00 Pa. a) Geef een omschrijving van het begri relatieve vochtigheid en bereken de waterdamdruk bij een relatieve vochtigheid van 50% en +5 C. b) Hoeveel mbar onderdruk heerst er minuut na het sluiten in de kist? Verwaarloos hierbij de lekkage via het dekselrubber. c) Heeft de aanwezigheid van waterdam in de omgevingslucht significante invloed o de uitkomst onder unt b? d) Het ogebouwde drukverschil blijkt na 30 minuten te zijn verend. Wat is de gemiddelde inlek (Pam 3 /s) via het dekselrubber? 3
Vraagstuk 4 (MV-06-4) (30 unten) Een cilindervormige vacuümkamer met een inwendige diameter en hoogte van resectievelijk 400 en 600 mm moet vanwege een frequent uit te voeren roces binnen 5 minuten vanaf atmosfeer naar een druk roces = 50 Pa worden geëvacueerd. Hiervoor wordt een draaischuifom met een aansluitoening NW40 (40 mm inwendige doorsnede) gebruikt. De vacuümkamer bevindt zich in een clean room. De cilindrische verbindingsbuis NW40 naar de o enige afstand buiten de clean room gelaatste om is 5 meter lang. Aan het kameruiteinde van de buis is een afsluiter aangebracht. De centrale vraag in deze ogave is wat de minimale omsnelheid van de om moet zijn om aan de gestelde 5 minuten -voorwaarde te voldoen. a) Maak een schets van het systeem en benoem daarin de onderdelen. b) Kan in het beoogde evacueringsroces worden volstaan met een ééntras om of is een tweetras om noodzakelijk? Motiveer uw antwoord We duiden de ectieve omsnelheid aan de kamer aan met. c) Druk uit in de omsnelheid van de om en de geleidingsvermogens C en C van buis en afsluiter. Vereenvoudig deze uitdrukking onder de aanname dat het geleidingsvermogen C van de afsluiter onder alle omstandigheden veel groter is dan C. d) Leid vervolgens een uitdrukking af voor de omsnelheid van de om als functie van en C. We veronderstellen in eerste instantie constant, d.w.z. drukonafhankelijk. In dat geval valt voor de benodigde ectieve omsnelheid de navolgende uitdrukking af te leiden: V = (,5 ln ) [m 3 /s] () t waarin [Pa] de druk is, die vanaf atmosfeer in de tijd t [s] moet worden bereikt. V [m 3 ] is het volume van de vacuümkamer. In onderstaande grafiek is ln uitgezet als functie van. 4
e) Bereken de minimaal benodigde om aan bovengestelde 5 minuten -voorwaarde te voldoen. Voor de gemiddelde vrije weglengte in lucht bij kamertemeratuur geldt: 3 7 0 λ lucht m ( lucht in Pa ) () lucht f) Laat aan de hand van deze uitdrukking zien dat in het beschouwde drukgebied de gasstroming door de verbindingsbuis als visceus kan worden omschreven. Neem aan dat de stroming door de buis in het gehele drukgebied laminair is. Voor het laminair geleidingsvermogen van een lange cilindrische buis voor lucht geldt: d = 330 [m 3 /s] (3) l C lucht 4 waarin d = buisdiameter [m], l = buislengte [m], = gemiddelde druk in de buis [Pa]. Zoals uitdrukking (3) laat zien, verandert het geleidingsvermogen van een buis bij laminaire stroming evenredig met de gemiddelde druk in de buis. Uit de onder unt c) door u geresenteerde relatie volgt dan, dat ook de ectieve omsnelheid aan de kamer anders dan onder unt e) verondersteld - niét constant is. Een eenvoudige analytische berekening van de gevraagde minimale waarde voor in combinatie met zo n variabele C (en ) is niet mogelijk. De berekening wordt wèl uitvoerbaar, als we ter wille van het rekengemak over het hele drukgebied een constante waarde voor C gebruiken. Om er zeker van te zijn dat met de omsnelheid die we o deze manier berekenen, inderdaad aan de gestelde 5-minuten - voorwaarde wordt voldaan, voeren we deze berekening uit met de kleinste C -waarde in het beschouwde drukgebied. g) Omschrijf wat wordt bedoeld met de gemiddelde druk ( ) in een buis en het drukverschil ( ) over een buis. h) Neem aan dat het drukverschil over de buis steeds veel kleiner is dan de gemiddelde druk in de buis, d.w.z. <<. Met welke kleinste gemiddelde drukwaarde in de buis moeten we dan rekenen? Motiveer uw antwoord en bereken vervolgens C bij deze kleinste gemiddelde drukwaarde. i) Beaal tenslotte m.b.v. de resultaten uit de unten d), e) en h) de gevraagde -waarde. j) Ga na in hoeverre aan de onder unt h) geformuleerde aanname << wordt voldaan. Omerking: Omdat de werkelijke C -waarde over het hele beschouwde drukgebied beduidend groter is dan de in de berekening gebruikte C -waarde, zal met de onder unt i) berekende ruimschoots worden voldaan aan de 5-minuten -voorwaarde en kan in de raktijk zelfs met een wat kleinere om worden volstaan!! Einde 5
Uitwerking examen Middelbare Vacuümtechniek 006 Vraagstuk MV-06- (0 unten) a) Zie BBVT, 9.4.5 en met name figuur 9.. a) O-ring groef voorzien van ronde hoeken, om beschadiging van de O-ring te voorkomen. Plaatsing van O-ring groef bij voorkeur in het kozijn, omdat eventuele beschadiging van een vlak kozijn moeilijker te herstellen is dan beschadiging van het afdichtingsvlak van de (demontabele) deur. b) Zie BBVT, 9... c) Er wordt een zwaluwstaartgroef toegeast, omdat bij een rechthoekige groef de O-ring te gemakkelijk uit de groef zou vallen. d) Zie BBVT, 9.4., figuur 9.6. Vraagstuk MV-06- (0 unten) a) Q ermeatie = 0, x x 0 - = 0 - Pa.m 3 /s Q wand = {(5 x 0,) + (5 x ) + (0, x)}x 0-5 =,x0-4 Pa.m 3 /s eind;tmp =,0x0 - /0, 5 x0 - Pa b) Belasting voorom,0x0 - Pa.m 3 /s VP = m 3 /h = /3600 = 3,3x0-3 m 3 /s Dus: eind;vp =,0x0 - /3,3x0-3 3 Pa c) Ja, want de ermeatiegasstroom treedt nu o door folie B i..v. door folie A. Deze ermeatiegasstroom wordt niet door de TMP veromt, maar rechtstreeks naar de voorom geleid. d) De einddruk in de vacuümkamer wordt nu eind;tmp =,x0-4 /0, = 5,5x0-4 Pa e) Nee, want de voorom moet dezelfde gasstroom veromen als onder unt b. Vraagstuk MV-06-3 (0 unten) a) Relatieve vochtigheid = verhouding tussen de heersende waterdamdruk en de verzadigde waterdamdruk bij een gegeven temeratuur. 50% relatieve vochtigheid bij +5 C betekent HO = 900/ Pa = 450 Pa = 4,5 mbar. b) tel de totaaldruk, ermanente gasdruk en waterdamdruk in de vrieskist o het moment van sluiten voor door resectievelijk, ;erm en ;HO Permanente gasdruk o moment van sluiten: ;erm = - ;HO = 98-4,5 = 976,5 mbar Voor ermanente gassen geldt volgens de ideale gaswet formule (.5) BBVT (wet van Boyle/Gay Lussac) bij constant volume: ;erm /T = ;erm /T 976,5/78 = ;erm /53 ;erm = 888,7 mbar Damdruk waterdam bij -0 C: ;HO = 00 Pa = mbar Dus totaaldruk bij -0 C: = 888,7 + = 889,7 mbar Onderdruk minuut na sluiten kist: 98-889,7 9 mbar 6
c) Indien geen rekening wordt gehouden met de aanwezigheid van waterdam: /T = /T 98/78 = /53 = 893 mbar onderdruk ca. 88 mbar. Conclusie: Aanwezigheid van waterdam in de omgevingslucht heeft geen significante invloed o uitkomst onder unt b. d) 90 mbar 9000 Pa 9000 x 0, = 800 Pam 3 komt via dekselrubber binnen in 30x60=800 s inlek 800/800 = Pam 3 /s Vraagstuk MV-06-4 (30 unten) a) Vacuümkamer, afsluiter, 5 meter verbindingsbuis en voorom in lijn. b) Tweetras om nodig, want de gevraagde druk van 50 Pa wordt met een eentras om in gasballast niet bereikt. c) = + + C C voor C >> C vereenvoudigt deze uitdrukking tot = + C d) = + C = C = C C (0,4) e) V = π,6 = 0, m 3, t = 5 x 60 = 300 s. Uit grafiek volgt: ln roces = ln 50 3,9. 4 ubstitutie in uitdrukking () levert: 0, = (,5 3,9) 0,005 m 3 /s 300 f) ubstitueer = 50 Pa in uitdrukking () λ =,4 x 0-4 m = 0,4 mm. Dit is veel kleiner dan de ogegeven buisdiameter NW40 (corresondeert met 40 mm inwendige diameter). Dus visceuze stroming. g) tel drukken aan de buisuiteinden k (= kamerdruk) en (= druk aan de ominlaat). k + Gemiddelde druk in de buis: = Drukverschil over de buis: = k - h) Gegeven: drukverschil over de buis is steeds veel kleiner dan gemiddelde drukwaarde in de buis Kleinste gemiddelde drukwaarde in de buis 50 Pa. 4 (0,04) Uitdrukking (3) geeft: C = 330 50 = 0, 034 m 3 /s 5 7
i) ubstitutie = 0,005 m 3 /s (berekend onder unt e) en C = 0,034 m 3 /s (berekend onder C unt h) in = (afgeleid onder unt d) levert C 0,005 x 0,034 = 0,006 m 3 /s m 3 /h 0,034 0,005 j) teeds geldt k =, waarin k = kamerdruk, = druk aan de ominlaat. Vul in k = roces = 50 Pa, = 0,005 m 3 /s, = 0,006 m 3 /s 50 + 4 4 Pa = k - 8 Pa << = = 46 Pa. Bij hogere drukken wordt relatief gezien nog kleiner t.o.v.. Conclusie: De aanname << is geoorloofd. 8