Розанов Л.Н. Вакуумная техника 1990 (1065500), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Криоконденсационная откачка Криоконденсационная откачка возможна при условии, что давление откачиваемого газа в вакуумной системе выше давления его насыщенных паров в насосе (см. рис. 2.5). Скорость конденсации, согласно (2.9), где р,— давление газа. Воспользуемся выражением для скорости испарения (2.11) где рт †давлен насыщенных паров адсорбата при температуре Т. Принимая во внимание, что плотность газа р=р„М/(1тТ„), запишем выражение для быстроты конденсационной откачки: 5„= — (΄— Он) = 36,4р 1рт — [ у — — р' — ~, (5.8) где 6 — коэффициент, учитывающий входное сопротивление. Используя зависимость давления насыщенного пара вещества от температуры (2.6) в ниде 1п Р=М вЂ” /у/Т„где М и А/ — постоянные коэффициенты (см.
табл. 2.5), после преобразований получим М Рг ° г„)' При р,»рт наблюдается максимальная быстрота действия криоконденсационного насоса, равная скорости конденсации. При р ыу — 1 5„,„=36М'Т„/М, (5.10) где величина 5гпак [ми/(с м')) (в зависимости от температуры и рода газа имеет следующие значения: при Т=293 и 78 К соответственно для Хэ — 118 и 61; Яй — 110 и 57; Хе — 139 и 72; Нй — 442 н 228). На рис. 5.7 приведена удельная быстрота откачки азота, имеющего температуру 293 К, при 5=у 1 в зависимости от давления и температуры криоповерхности в соответствии с (5.9).
Предельное давление криоконденсационной откачки зависит от температуры поверхности, на которой происходит конденсация откачиваемого газа. При 5„=0, рг р,р воспользуемся уравнением 121 (5.9) для определения предельного давления: Р,=У Т„/Т„ехр(М вЂ” И/Т„),'у. (5.11) При работе насоса происходит образование криоосадка на конденсирующей поверхности. Толщина крио- осадка и ух эт~-„-2- 129 за !0 ссс 18 22 25 зат,к С (~к Ои) л= Ар, Рис. 57. Зависимость удель.
ной быстроты откачки азота от температуры криоповерк. ности при давлении: С 1О-и Па; С 1О-в Пв. 3 13-' Пз; С вЂ” 1О-' Па где 1 — время работы насоса; А— площадь конденснрующей поверхности; р, — плотность газов в твердом состоянии Газ....... Мс Нс СНс Аг Кг Ме р„ кс/м' .. ... 950 80 520 1690 2960 !440 При откачке азота с производительностью ! О ' м'Па/с на площади 0,1 м' за 10' с образуется слой конденсата толщиной 1,5 мм. Уравнение теплового баланса на поверхности криоосадка можно записать в следующем виде: к/ ) тк 7к' Ь здесь Н вЂ” суммарный тепловой поток на единицу поверхности крноосадка; Т. и Тп — температуры криоагента н поверхности криоосадка; Х вЂ” коэффициент теплопроводности криоосадка: Газ.....
° ° Мз Нс СН4 Ат Кт Ме Л, Вт/(и к) ... !О ' 1 8.!О-' 2 2 ! ла 33 33 са Ю т„ Р р= р1,с " ехр (М— т + на/л АсЛ вЂ” 1 /у. (5.12) т,Л+НА / Рис. 5.8. Зависимость предельного давления криоконденсадиоииого насоса от времени работы при: Г Г, А 0,01 и', 0 !О-' и' Па!с; !в с ч 35 К, 2 — 30 К, 3 — 25 К, С вЂ” 20 К !22 Решая уравнение теплового баланса относительно Т„получим Тп= Т„+Н/с/), Для Н=50 Вт/мз после образования крноосадка азота толщиной 1,5 мм превышение температуры криоповерхности над температурой криоагента соста. вит 0,75 К.
Подставляя выражение, полу. ченное для Т„ в (5.11), получим Таким образом, предельное давление насоса ухудшается с ростом толщины криоосадка. На рнс. 5.8 показаны зависимости предельного давления от времени работы насоса, рассчитанные по уравнению (5.12) с учетом того, что й= сйс/(Ар.). $ 5.6. Крноадсорбционная откачка Роп+Кг1Ро+ ~ с/1 ос= Рстс= + КгтР1 т (5.13) т, о где ро и рс — 'начальное и конечное давления; и=Уи/Уа объемная нагрузка насоса; У, — объем откачиваемой камеры; Уа — объем адсорбента в насосе; 01 — суммарная производительность газовыделения и натекания на единицу объема адсорбента, Тс и То в начальная и конечная температура адсорбента в насосе, Та(Т1, Ктс и и Ктг — коэффициенты адсорбируемости газа прн температурах Т ить Если 171 сонэ(, тогда Ро (о+ и г1) +9!2 Р1 = ит1/тс 4. Кга с Если ) с/ба%ротс+Кгсро тогда о (5.14) о7 1/т2+ Кг2 Для обычныхвакуумныхсистем 1Ук 50л; У, 1л) 0=50.При откачке азота от атмосферного давления активным углем СКТ-2 при Т1-293 К, К233 10' и при Тт 77 К, К 103 (табл, 5.1) получим, согласно (5.15), р1 1,5 10-' Па.
Таким образом, давление снижается почти в 105 раз. !23 Криоадсорбциониая откачка осуществляется адсорбцией газов на охлаждаемых адсорбентах. Равновесное давление откачиваемых газон определяется изотермами адсорбции [см. (2.17)... (2.19)), устанавливающими связь между количеством поглощенного газа и давлением при постоянной температуре. Количество адсорбированного газа должно составлять значительную часть газа в объеме вакуумной системы, что обычно наблюдается при температурах адсорбирующих поверхностей ниже температуры кипения газа при атмосферном давлении. Уравнение материального баланса криоадсорбционной откачки неподвижным адсорбентом можно записать в виде равенства количества газа в адсорбционной и газовой фазах до и после процесса откачки: Таблица 5.2 Таблица 5.1 и, муе е, мв/е Прнмечанне и, Не Ковффнцнент Прнмечанне Алеорбент 77 К 77 К 298 К 77К 298 К 10' р 10-' ...
1О-' Па Ктт, (м'Па)/и'Па 20 Активный уголь СКТ-2 Псолит СаА-4В Силикагель, КСМ.6 10-в 10-8 1О-в 10 в 10-в 10-в 10' 1 ов 10 " 1О-1в !От 1Ов р- 10-' ... ...10-8 Па 107 ! О-в 10-' 10-7 1О' 10 " Ллюмосиликатный катализатор АС (5.17) 10 в 107 !ов 10 " 10 7 10 т 125 Характеристики адсорбеитоа при поглощении азота Подбирая температуру десорбции, можно обеспечить, чтобы Кг!<Ки<<Ктг, тогда Р~ Ров (5.16) Ктг Если к откачиваемому объекту параллельно подключено п адсорбционных насосов, для каждого из которых и для всех вместе выполняются условия, указанные для уравнения (5.16), то многоступенчатая (п — число ступеней) откачка, при которой последовательно запускается и после достижения предельного давления перекрывается клапаном каждый из насосов, обеспечить конечное давление р =Рв(о!Ктг)".
Для п=2, 0=50 и р9=10' Па при откачке азота К77=10' получим для р значение 2,5 10-' Па. При температуре жидкого азота значительно худшие результаты можно получить при откачке гелия, неона и водорода. Коэффициенты адсорбируемости этих газов при температуре жидкого азота (77 К), представленные в табл, 5.2, значительно меньше, чем для азота. При одноступенчатой откачке не удается достичь заметного снижения давления. При откачке атмосферного воздуха, парциальное давление гелия, неона и водорода в котором происходит обогащение остаточных газон плохо адсорбируемыми компонентами, которые ограничивают возможность сижения предельного давления насоса.
Для эффективной адсорбционной откачки всех газов, входящих в состав атмосферного воздуха, требуются температуры 30...20 К. Быстрота адсорбционной откачки определяется процессом не- стационарной диффузии газа в пористой структуре адсорбента. Диффузия идет как в газовой фазе, так и по поверхности пор. При 124 Ковффициеиты вщсорбируемостн различима газов на активном угле прн температуре жидкого азота низких температурах в микропорах определяющей становится по- верхностная диффузия. Уравнение этого процесса можно записать в следующем виде: При граничных условиях а(х, 0) =ар! а(х, оо) =а дп(0,,) =0; д,(йй~= и да!.~~ (5.18) дх Кгя д.» где а — количество адсорбированного газа в единице объема адсорбента; х — текущая координата по сечению адсорбционного слоя; Я вЂ характерн размер адсорбента; Н вЂ” коэффициент диффузии; Кг — коэффициент формы адсорбента, для неограниченной пластины Кв =О, для неограниченного цилиндра Кв = 1, для шара К!=2; К2=У((гК) — коэффициент формы (Р и У вЂ” поверхность и объем адсорбента); для неограниченной пластины Кг=!, для неограниченного цилиндра К2= 0,64, для шара К2= 0,64.
Решение уравнения (5,17) при граничных условиях (5.18) можно представить в виде .л,о=.,в-в'ч' !»р~-к.-д — "мв1-в1 1), (в ~в! О К-! !вм где Т=Н1/1»2; Кз, Кв, Кз — постоянные формы адсорбеита для неограниченной пластины, неограниченного цилиндра и шара; соот- 4 6 1 1 2 ветственно равны Кз 1 Кв в Кв в» и 3 2п 5ц 4 4 — — ; 1в, — корни характеристического уравнения 1и 1в 0 и и (для неограниченной пластины), У!(18) 0 (для неограниченного цилиндра) и 1д 1г 1в (для шара).
Записанное решение при а=Ктр можно преобразовать для малых и больших значений безразмерного времени т НЦг» . 2 в Для неограниченной пластины вм при т)0,42, неограниченного ци- линдра при т)0,27 и шара прн ш т~~ 0,19 6= но ! + но (Кзт + К4? Для неограниченной пластигеч ны при т(0,42, неограниченного ' цилиндра при т(0,27 и шара Рис бз Зависимость безразмерной при т(0,19 удельной быстроты действия 6 ог йо безразмерного времени т для адсор' 6= — (5.20) бента шаровой формы ! +2иоКа'г' т/н здесь 6 = —; Ео=- —; 51 — быстрота откачки насоса на 51)7г, 41)71 КтО ' ооО единицу насыпного объема адсорбента; Ка — коэффициент формы; Ка=1 для неограниченной пластины; К,=0,64 (1+0,44Ут) для неограниченного цилиндра, Ка= 0,6$(1+0,89 Ут) для шара.
Рассчитанные по уравнениям (5.20) зависимости безразмерной удельной быстроты действия криоадсорбционного насоса от безразмерного времени для адсорбента в форме шара приведены на рис. 5.9. Для насоса с 1 л насыпного объема адсорбента, выполненного в форме пластины толщиной 2)7=3 мм, при коэффициенте не- стационарной диффузии 1,4 10 " м'/с и коэффициенте адсорбируемости 5,3 10' при начальном равновесном давлении 10-4 Па удельная быстрота откачки при 4)1=4,23 10-' м'Па/(с м') составит 0,01 л/(с см') и будет сохранять свое значение 10' с, Быстрота откачки зависит от величины потока газа. При увеличении потока на два порядка во столько же раз увеличится быстрота откачки и достигнет в данном примере 1 л/(с см').
Однако она не будет постоянной и практически сразу начнется ее уменьшение. Удельная быстрота адсорбционной откачки в 5...10 раз меньше, чем конденсационной, и имеет более сильную зависимость от количества поглощенного газа. Непрерывная регенерация части адсорбента во время работы насоса реализуется в адсорбционных насосах непрерывного действия, обеспечивающих постоянную быстроту действия независимо от продолжительности работы насоса. Количество поглощаемого и десорбированного газов в неравновесном состоянии определяется решением нестационарного уравнения диффузии (5.17) при начальных и граничных условиях: а(0, х) =ао! а(7, )7) =ав! да(1, 0)/дх=0. При адсорбции ан=а, при десорбции ан ао 126 Решение уравнения (5.17) при указанных граничных условиях можно представить в следующем виде: 6 а =(ал — ао) 1 — — чэ4 — ехр( — Агпгт) =(ая — ао) ".
иг сы йг а-1 При малых т 1?!/Иг(2.10-' степень заполнения адсорбента 6 вч ! ч = 1 — — р' — ехр ( — йгп'т) = 6 ут/ч. нг 24 йг а 1 Быстрота непрерывной адсорбционной откачки (5.21) Ктгр! ! где 5 а=олгКгг — максимальная быстрота откачки; о — скорость транспортирования адсорбента; à — площадь поперечного сечения адсорбционного слоя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
