С.Б. Нестеров, А.В. Андросов, Ю.К. Васильев Низкотемпературные системы селективной откачки, страница 3

Рис. 1.10. Ловушка AT-160 (APD Cryogenics)

Рис. 1.11. Ловушка диаметром 200 мм (CTI Cryogenics)

Охлаждаемая поверхность ловушки, показанной на рис. 1.10 представляет набор из семи плоских параллельных пластин, расположенных вдоль проходного сечения. Холодная поверхность ловушки, производимой фирмой CTI Cryogenics, имеет форму пластины, расположенной поперек проходного сечения (поперек откачиваемого потока) ловушки. В таблице 1.4 представлены характеристики ловушек для откачки воды серии Aqua Trap.

Таблица 1.4. Характеристики ловушек Aqua Trap

1.3.2.3.Ловушки, охлаждаемые с помощью рассолов

П
омимо перечисленных выше умеренно охлаждаемых ловушек существует еще один тип ловушек, рабочие поверхности которых охлаждаются с помощью рассолов (рис. 1.12)[²²]. Под рассолами в данном случае понимаются растворы различных твердых (лед, поваренная соль, твердый диоксид углерода) веществ и жидких (ацетон, эфир, спирт) легко испаряемых компонентов. Такие рассолы могут охлаждать рабочие поверхности ловушки от 273 К до 195 К.

На рис. 1.12 показана конструкция и принцип действия ловушки, охлаждаемой смесью твердого диоксида углерода и спирта [²³].

В таблице 1.5 представлены различные рассолы и значения температуры, до которых они могут охлаждать рабочие поверхности ловушки.

Таблица 1.5. Охлаждающие рассолы

В настоящее время ловушки, охлаждаемые рассолами применяются редко в виду того, что рассол надо периодически менять и в результате действия рассола могут образовываться пары высокотоксичных веществ (ацетон, эфир).

1.3.3.Криоловушки

1.3.3.1.Азотные ловушки

Наибольшей защитной способностью обладают ловушки, охлаждаемые до температур 120 К и ниже. В отечественной промышленности для охлаждения ловушек до таких температур чаще всего применяют азотные ловушки. На рис. 1.13 представлена жалюзийная, охлаждаемая жидким азотом ловушка.

Рис. 1.12. Жалюзийная азотная ловушка
1 –корпус, 2 –медный хладопровод, 3 –защитные поверхности, 4 –сосуд Дьюара

Защитные поверхности 3 ловушек такого типа охлаждаются с помощью медного хладопровода 2, конец которого опущен в сосуд Дьюара 4 с жидким азотом. В таблице 1.6 приведены некоторые технические характеристики ловушек такого типа.

Таблица 1.6. Технические характеристики ловушек

В лабораторной практике для вымораживания паров рабочей жидкости часто используются стеклянные заливные ловушки [Error: Reference source not found] (рис. 1.14).

Рис. 1.13. Стеклянная азотная ловушка

Практически все производители вакуумного оборудования, как отечественные, так и зарубежные, занимаются выпуском заливных азотных ловушек. На рис. 1.15 представлен ряд ловушек, выпускаемых фирмой Leybold Vacuum [Error: Reference source not found, ²⁴]. Конструкция некоторых заливных азотных ловушек повторяет конструкцию водоохлаждаемых ловушек (рис. 1.3 -1.5).

Основное преимущество азотных заливных ловушек перед другими криоловушками заключается в простоте их изготовления и соответственно в более низкой цене по сравнению с ловушками, охлаждаемыми холодильными машинами и микроохладителями.

В свою очередь азотные ловушки обладают рядом следующих недостатков: необходимо наличие жидкого азота, нельзя плавно регулировать температуру рабочих поверхностей ловушки до температур ниже азотных.

У
пругость паров большинства конденсированных в обычных условиях веществ при температуре кипения азота ничтожно мала. Поскольку, например, для улавливания молекул при температуре кипения азота достаточно одного соударения, то казалось бы, что для полной защиты от паров масла достаточно откачиваемый объем отделить однопролетной [²⁵, ²⁶, ²⁷, ²⁸, ²⁹, ³⁰] ловушкой. Однако плотность паров масла, поступающего от насоса бывает достаточно велика для того, чтобы вклад в вылет масла за счет взаимных соударений в объеме ловушки, как было показано ранее, значительно превышал скорость испарения масла. При температуре кипения азота скорость испарения масла ВМ-1 должна составлять
7·10^-10 [Error: Reference source not found]. Но за счет столкновений молекул поток может достигать значения 5·10^-7 . Поэтому для более эффективного захвата паров масла (или другого вещества) применяются многоярусные (обычно двухъярусные) [Error: Reference source not found, ³¹] ловушки (рис. 1.16). Такая конструкция ловушки позволяет значительно уменьшить поток масла, проходящий через ловушку. Например, если первая (нижняя) ступень ловушки охлаждается водой до температуры 293 К, а вторая жидким азотом, то поток прошедший через ловушку будет равен 5·10^-8 [Error: Reference source not found]. Для того, чтобы поток проходящий через ловушку был близок к скорости испарения масла ВМ-1 при температуре жидкого азота, необходимо, чтобы первая ступень ловушки охлаждалась до температуры 268 К и ниже.

Рис. 1.14. Схема высоковакуумной двухъярусной ловушки

Расход хладагента в единицу времени в охлаждаемых ловушках зависит от притока тепла, идущего от наружных стенок корпуса ловушки, теплопритоков за счет излучения и тепла, идущего от вымораживаемого вещества (масло, пары воды и т.п.).

Снижение расхода хладагента может быть достигнуто путем охлаждения корпуса ловушки водой, установки промежуточной водоохлаждаемой ловушки, применения различных тепловых развязок (рис. 1.17). Одним из наиболее действенных способов повышения эффективности ловушки является применение собственного охранного вакуума. Между корпусом ловушки и сосудом для жидкого азота поддерживается вакуум порядка 10^-5…10^-3 Па, что позволяет снизить расход жидкого азота до 1…2 литров в сутки. На рис. 1.18 представлена конструкция ловушки с собственным охранным вакуумом [³²]. Такая конструкция ловушки позволяет эксплуатировать ловушку на одной заправке от 3 до 6 суток.

Рис. 1.15. Тепловые развязки

Рис. 1.16. Общий вид ловушки с собственным охранным вакуумом
1– днище ловушки, 2– корпус, 3– крышка корпуса, 4– сосуд для жидкого азота, 5– крышка сосуда для жидкого сосуда, 6– наружная обечайка, 7– днище, 8– внутренняя обечайка N₂-сосуда, 9– вакуумируемый канал, 10– входное отверстие, 11– фланец Ду40 «Конфлат», 12– тепловой мост в виде сжатого первоначально длинного сильфона, 13– тонкостенные трубки-подвесы, 14– патрубки, 15– полость охранного вакуума, 16– два «плавающих» экрана, 17– корзина с адсорбентом, 18– активированный уголь, 19– пористая медь, 20– тепловой мост, аналогичный мосту 12, 21, 22– оптически плотно расположенные перегородки, 23– выходной фланец, аналогичный фланцу 11, 24– сверхвысоковакуумный клапан с металлическим уплотнением Ду-16

1.3.3.2.Ловушки охлаждаемые микроохладителями

Для охлаждения ловушек до азотных температур и ниже также применяются микроохладители, работающие по циклам Мак-Магона и Стирлинга (рис. 1.19). Преимущество ловушек такого типа перед азотными ловушками, заключается в том, что они, в зависимости от требований эксплуатации, позволяют достаточно плавно изменять температуру рабочих поверхностей и не требуется постоянного наличия жидкого азота. Однако ловушки с микроохладителями значительно превышают азотные ловушки по своей стоимости.

Рис. 1.17. Схема ловушки с микроохладителем
1– редуктор, 2– корпус, 3– жалюзи, 4– антимигратор

1.3.4.Сорбционные ловушки

Несмотря на то, что охлаждаемые ловушки обеспечивают достаточно надежную защиту откачиваемого объема от попадания паров рабочей жидкости, их несомненным недостатком является необходимость постоянной подачи охлаждающего вещества (хладагента).

Высокая адсорбционная способность некоторых пористых веществ – адсорбентов (цеолита, активированной окиси алюминия, активированного угля) дает возможность создавать эффективные ловушки [³³, ³⁴]. На рис. 1.20 изображена неохлаждаемая адсорбционная ловушка, в которой в качестве адсорбента используется активированный уголь. Благодаря низкой температуре кипения масел их пары хорошо сорбируются на развитых поверхностях адсорбентов. Первые опыты по применению адсорбентов для защиты откачиваемого объема от паров масла были проведены Керрисом в 30-х годах прошлого века [³⁵]. В качестве поглотителя исследовались силикагель и уголь. Было опробовано действие силикагеля на форвакууме. Оказалось, что силикагель улучшает предельный вакуум, но быстро насыщается.

Рис. 1.18. Высоковакуумная адсорбционная ловушка:
1-корпус; 2–фланец; 3–трубка для нагревателя; 4–адсорбент; 5–маслоотражатель; 6–сетка;
7–трубка