Розанов Вакуумная техника 1990 (1248470), страница 22
Текст из файла (страница 22)
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.
Для о,=0,1 см/с, г=1 см', Кт,=10' получим 5шат = 10 л/с. Так как предельное давление р,р=р! при 5,=0, из уравнения (5.21) запишем Кгг Р а=рг Ктг что для угля СКТ-2Б при Кг1=10', Ктг 10' дает величину р,р =10-' рг. Характерная зависимость 5 =/(ол) для насосов непрерывного действия представлена на рис. 5,10. В первом режиме при малых скоростях транспортирования ч 1 до тех пор, пока та--в0,4, что соответствует о„г ~( М,/(0,4гг'„), где 1а — длина камеры адсорбции; )та — радиус частицы адсорбента.
Быстрота откачки 5 =5ш„в этом режиме пропорциональна ол. Во втором режиме при средних скоростях транспортирования адсорбент не успевает насыщаться откачиваемым газом, ч(1 и быстрота действия насоса пропорциональна Уо, 3 4РКтг у/)/ /1 Кт1рг ~ йа КтгР1 / Третий режим работы насоса при больших скоростях транспортирования начинается со скорости, определяемой коэффициентом температуропроводности адсорбента а и безразмерным временем охлаждениЯ Го=0,8: она =а1оа/()ггсл 0,8), !27 128 Р ис. 5.11.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
