Криогенные конденсационные насосы и ловушки

Криогенные конденсационные насосы и ловушки

1179
0

Криогенные конденсационные насосы и ловушки широкое применение во многих отраслях отечественной промышленности. Криогенные конденсационные насосы имеют ряд преимущества в сравнении с ионными и сорбционными насосами. Одно из них – высокие нагрузки не вызывают насыщения поверхности криогенных насосов. Однако, этот тип насосов не лишен и недостатков. Например, толстая пленка затвердевшего газа может отслоиться. Правда, вероятность такого момента невелика. Кроме этого температура толстого слоя может быть выше таковой конденсирующей стенки. Разница может быть очень большой. Высокие давления ведут к закипанию пленки, а это причина чрезмерного повышения температуры рабочей поверхности. Скорость откачки криогенных насосов велика. По этому показателю они не уступают сорбционным насосам. Охлаждения, как правило, осуществляется жидким водородом (20,4 К) и жидким гелием (4,2 К).

Жидкий азот взрывоопасен

По этой причине работать с ним нужно с особой осторожностью, соблюдая специальные предосторожности. При 4,2 К гелий и водород характеризуются высоким давлением, что несвойственно для других веществ. Например, величина этого показателя у водорода составляет 3,5·10-7 тopр. При температуре 20,4 К можно оценить давление пара неона. Редко в качестве охлаждающего вещества используется жидкий азот (77 К). Давление двуокиси углерода при 77 К – 10-8 торр. Если говорить о паре воды, ртути, то измерить его нереально, так как оно чрезмерно низко. Значение давлений прочих газов в аналогичных условиях велико. Примером может служить окись углерода. В ряде случаев удалить неконденсирующийся газ можно посредством небольшого вспомогательного насоса.

Для случаев, когда термодиффузия предельного или равновесного давления Pп, которое устанавливается в системе при конкретной температуре T, выше, чем Pν – давление пара при Tν реальной температуре охлаждаемой поверхности. Если s и sν являются коэффициентами конденсации газа при температурах T и Tν, то правомерным будет следующее выражение:

Pп=svPvs-1(T/Tv)1/2.

При условии, что sν и s равны единице, то при температуре 300 К величина соотношения Pп/Pν составит 8,3 и 3,8, соответственно. Разность ΔN между числом молекул, которые конденсируются на единице площади поверхности и покидающих ее можно записать как

ΔN=sP(2πmkT)-1/2-svPv(2πmkTv)-1/2.

Из уравнения 1-1 следует, что производительность PV=ΔNkT и S=Q/P=ΔVkT/P, или из уравнения 6-3.

Если P>>Pп, то выражение 6-4 примет вид уравнения 6-1. S=0 при Р=Рп. Можно предположить, что причиной приобретения молекулами температуры Т в процессе их испарении являются нагретые стенки, с которыми эти молекулы сталкиваются. Происходит это до осаждения молекул на охлаждаемой поверхности.

В ранее проведенном исследовании для водорода было установлено колебание величин коэффициента s – от 0,81 до 0,89. Эти результаты были получены при следующих условиях: температура – 77 К; давление – 10-6-10-4. Также была установлена величина этого коэффициента и для двуокиси углерода – 1. Условия, при которых был получен такой результат: температура – 77, давление – 10-4 торр. В ходе исследования температура этого соединения колебалась в диапазоне 150-400 К. Результат, полученный Клаузингом, – 0,9. В другом опыте определили величину показателя для серебра. При температуре 4,2 К она составила 0,6. Авторами была установлена величина коэффициентов конденсации для азота и водорода. В случае первого элемента температура колебалась в пределах 26-29 К, в случае второго – 3,6-4,4 К. Результаты по N2: колебание величины коэффициента конденсации при 29 К и (Р–Рп)/Рп>10 – 1, при 3,6 К и 1˂ΔР/Рп˂40 – 0,5. Объяснить причину повышения величины коэффициента конденсации по мере увеличения давления очень сложно.

Если системы не большие, характеризуются малым давлением, то для них можно использовать простые гелиевые ловушки.

Следует понимать, что криогенная откачка предназначена для больших установок, которые, например, имитируют космическое пространство; для аэродинамических труб; стендов, используемых при испытаниях ракет. Эти установки требуют большую скорость откачки. В основном замедление криогенной жидкости происходит за счет теплового экрана, который охлаждает жидкий азот. Промежуточные температуры поверхности – это источник газа, например, паров воды. Такой процесс образования газа чаще всего следует за начальной конденсацией и при снижении давления.

Повысить скорость откачки криогенного насоса можно при помощи оптимизации температуры, что доказано в ходе исследования. Если имеют место многослойные конденсированные слои азота и двуокиси углерода, то увеличить скорость откачки можно путем доведения температуры в первом случае до 29 К, во втором – до 20 К или 77 К. Получаемая таким образом скорость откачки больше таковой теоретической в 3 раза. Четко объяснить причину этого изменения исследователи не смогли, но высказали мнение, что это связано с распространением потоков молекул в установке, которая послужила объектом исследования. Результаты опыта совпали с ожиданиями экспериментаторов. Скорость откачки оксида углерода была высока и при температуре 20 К и при 77 К обязательному условию повышения скорости откачки при таких значения температуры следует отнести правильную ориентацию охлаждаемых поверхностей, которая минимизирует расслоение конденсата. Группой других ученых был описан водородный конденсационный насос, скорость откачки которого составила по воздуху 37 тыс. м/сек. Конструкция насоса была дополнена установкой, обеспечивающей получение жидкого водорода.

Что понимают под криогенным улавливанием? Конденсирующиеся пары улавливают неконденсирующиеся газы. Этот процесс был изучен в ряде теоретических и экспериментальных исследований.

В одном из них объектом изучения служил процесс улавливания азота водой. Температура – 77 К. Результат анализа полученных данных показал, что структура конденсирующейся воды пористая. Ее площадь поверхности равна 600 м2/г. Среди всех центров, занятых водой, 1% приходился на долю центров захватов. При этом поверхностная адсорбция приводила к незначительному поглощению азота от общего количества захваченного вещества – 7%. В другом исследовании было изучено криогенное улавливание гелия и водорода. В качестве ловушки выступал аргон, находящийся на охлаждаемой поверхности. Температура, при которой наблюдали за результатами, – 4,2 К.

Температура газов была равна 83 К. Результаты: при аргоне значение величины коэффициента аккомодации в случае с водородом – 0,5, в случае с гелием – 0,03. Было также установлено, что при оптимальных условиях одним атомом аргона улавливается одна молекула водорода. Для захвата одного атома гелия требуется 30 атомов серебра. Ряд закономерностей криогенного улавливания водорода аргоном и азотом были изучены в другом, не менее интересном эксперименте. Учеными было установлено количество захватываемых частиц водорода одной молекулой серебра и азота – 16 и 10 молекул, соответственно. При производительности по водороду один монослой в секунду значение коэффициента аккомадации равно 0.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОТВЕТИТЬ