ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Скорость конденсации чистого пара из "Вакуумные конденсаторы химического машиностроения" Изучение теплофизических закономерностей процесса конденсации в вакууме производилось в условиях различных вакуумных режимов, и полученные характеристики при переходе от одного режима к другому изменялись в соответствии с законами течения газов. [c.47] Чтобы устранить влияние движения воздуха на процесс, рассмотрим конденсацию так называемого чистого пара. Чистым паром называется такое состояние пара, при котором его молекулы, двигаясь в пространстве конденсатора, практически не будут сталкиваться с молекулами воздуха или какого-либо другого неконденсирующегося газа. Отсутствие в такой среде молекул иеконденсирующихся при данной температуре газов приводит к тому, что молекула пара в условиях высокого вакуума движется от источника испарения до охлаждаемой поверхности без изменения направления первоначальной скорости. При таком разрежении все молекулы, покинув источник испарения, движутся прямолинейно. Следовательно, если задано направление скорости испаренной молекулы у источника испарения, молекула достигнет поверхности конденсатора в строго определенной точке. При этом на стенки конденсатора попадут те молекулы, на пути следования которых нет никаких преград. Экспериментально показано [12], что если в таких условиях происходит испарение атомов металла с последующей конденсацией, то на плоской стенке конденсатора появляется четкое, не покрытое металлом изображение преграды — экрана, в точности совпадающее с геометрическими очертаниями тени экрана при его освещении источником света. Таким образом, поток молекул, не претерпевающий на своем пути столкновений и рассеивания, движется прямолинейно, подобно световому лучу. Такой поток молекул или атомов получил название молекулярного потока или молекулярного луча. [c.47] Применение коэффициента теплоотдачи как определяющей величины нецелесообразно в изучаемом случае конденсации пара в разреженной среде в сублимационных конденсаторах. Скрытая теплота фазового превращения, выделяемая при конденсации водяного пара, велика и значительно превышает количество тепла, выделяющееся при охлаждении поступающего в конденсатор пара до температуры насыщения. Теплота охлаждения составляет только 2—3% от общего количества тепла. Таким образом, по существу происходит процесс теплообмена, связанный с массообменом, и представляется более целесообразным выбирать в качестве определяющих параметров не коэффициенты переноса тепла, а коэффициенты переноса мгссы. [c.48] Положив в основу расчета процесс переноса массы и определяя в качестве первичной величины скорость конденсации пара в твердое состояние, мы смогли решить поставленную задачу без необходимости использования эмпирического коэффициента а. Использование коэффициента а при конденсации пара в твердое состояние будет еще более затруднительным, чем при конденсации в жидкость, так как стенка покрывается непрерывно изменяющимся по толщине слоем твердого конденсата теплопроводность сублимационного льда является переменной величиной температура на поверхности раздела фаз непрерывно изменяется. [c.48] Процесс конденсации водяного пара в твердое состояние, протекающий при д .влениях ниже 4,6 мм рт. ст. (тройная точка), находится во взаимосвязи с характером течения поступающего в конденсатор пара по вакуумным трубопроводам, э само течение в условиях высокого вакуума зависит от взаимодействия молекул пара со стенками трубопровода. [c.48] Для всего диапазона давлений при конденсации водяного пара в твердое состояние (от высокого вакуума до давления 4,6 мм рт. ст.) поверхность охлаждаемого конденсатора используется для создания направленного потока пара в вакуумной системе. Сама охлаждаемая поверхность, поглощающая водяные пары, и создает мощное откачивающее действие, не сравнимое ни с какими в настоящее время известными насосами. На это откачивающее действие поверхности конденсации — на охлаждение поверхности до заданной температуры — затрачивается соответствующая внешняя энергия. [c.48] При конденсации пара в твердое состояние конденсатор, работающий в условиях вакуума, является своеобразным насосом для откачки водяного пара. В связи с этим напомним, что выражение для скорости откачки высоковакуумным диффузионным насосом получается из кинетической теории газов аналогично выражению для скорости откачки диафрагмой, размеры которой малы в сравнении с размерами аппарата и средней длиной свободного пробега газа. [c.48] Различие между работой насоса и конденсатора состоит в том, что молекулы пара, ударяющиеся об охлалодаемую поверхность конденсатора, остаются на ней, в то время как неконденсирующийся газ, захватываемый струей пара пароструйного диффузионного насоса, уносится в область низкого вакуума и далее откачивается форвакуумным насосом. С точки зрения Кинетической теории газов это различие не играет роли. [c.50] Р — эффективная площадь конденсатора. [c.50] Под эффективной (площадью конденсатора подразумевается та часть его общей поверхности, которая участвуете работе и покрывается слоем конденсата. [c.50] При образовании элементарного тэтраедра в структуре льда, состоящего из пяти молекул воды, выделяется теплота фазового превращения, которая отводится от поверхности. Однако такой отвод тепловой энергии с должной скоростью в действительности возможен только в условиях сравнительно малого потока молекул пара на охлаждаемую поверхность, т. е. в условиях сверхвысокого и высокого вакуума. При увеличении давления поступающего пара р и, следовательно, увеличении количества молекул, попадающих на единицу поверхности конденсатора в единицу времени, выделяющаяся тепловая энергия может превышать теплоотвод через стенки. В этом случае некоторая доля теплоты фазового превращения сконденсированного пара не будет отводиться от поверхности конденсации и будет расходоваться на частичный распад уже образовавшихся кристаллических групп, т. е. на образование некоторого обратного потока молекул от стенки. Такой процесс можно назвать спонтанным испарением. [c.51] При изучении процесса конденсации пара в жидкость второй и третий этапы вообще не фигурируют [17 ]. [c.52] Рассмотрим эти явления подробнее. [c.52] Как видно из сравнения выражений (24) и (25), в уравнение (25) для конечной скорости движения пара, направленной нормально к стенке, не входит теплота фазового превращения г. Это происходит потому, что в рассматриваемом случае конденсации пара в твердое состояние за основную, первичную величину для определения интенсивности теплообмена принимается количество образовавшегося конденсата. [c.53] В условиях высокого вакуума не все упавшие на охлаждаемую поверхность молекулы сразу ассоциируются в кристаллы. Это объясняется тем, что при данных термодинамических условиях нелегко собрать на поверхности достаточное число молекул пара, необходимое для образования кристаллической решетки. В то же время находящиеся на поверхности кристалла льда адсорбированные молекулы пара, еще не ассоциировавшиеся в решетку из-за отсутствия полного количества молекул пара, необходимого для образования кристалла, совершают всевозможные движения (колебательные, поступательные) и при определенных температурных условиях могут вырываться с поверхности конденсата. Такие температурные условия создаются при приближении значения к р . Даже если при этих условиях был бы сверхвысокий вакуум, процесс образования кристаллов льда не происходил бы. Молекулы пара в этих условиях не могут долгое время ожидать на поверхности подхода других молекул до поступления полного числа молекул пара, необходимого для образования элементарных тэтраедров они будут срываться с поверхности, отражаться от нее. И только очень небольшой процент из всех упавших на поверхность молекул дождется других и образует кристаллическую решетку. Вот почему даже в высоком вакууме не всегда возможны условия для образования кристаллов льда. [c.53] Таким образом, отдельная молекула пара, упавшая на поверхность кристалла, не может ассоциироваться с этим кристаллом. Она либо адсорбируется на поверхности, либо отражается, но ке ассоциируется. Прежде чем эта молекула объединится с поверхностью кристалла, она должна дополнить образующийся из вновь прибывших молекул пара элементарный тэтраедр. В процессе образования тэтраедра выделяется соответствующая теплота кристаллизации, и именно в этот момент и происходит схватывание его с кристаллом льда. [c.54] Если теплота кристаллизации в момент схватывания может быть отведена, то рост кристалла будет п]эодолжаться если же эта тепловая энергия будет частично отводиться, а частично расходоваться на спонтанное испарение, то образование твердой кристаллической фазы будет протекать медленнее и в конце концов прекратится.. Прекращение роста кристалла свидетельствует о том, что теплота фазового превращения не может быть отведена в месте кристаллизации. По-видимому, эти свойства льда не являются исключением, а представляют собой общую закономерность образования кристаллов вообще. [c.54] В условиях высокого вакуума практически все молекулы, ассоциированные в кристаллы, остаются на охлаждаемой поверхности. Здесь отсутствует спонтанное испарение льда. В этом случае коэффициент схватывания полностью определяет процесс конденсации он выполняет функции коэффициента конденсации h. Изменение коэффициента схватывания в зависимости от давления представлено на фиг. 26. Как видно из фигуры, в области низких температур при р 4 р образуется максимальное количество конденсата. В области, близкой к давлению Pf(p - pj, не все падающие на поверхность молекулы пара участвуют в процессе фазового превращения, хотя процесс и протекает в условиях высокого вакуума. [c.54] Понижение давления р , бесспорно, способствует более интенсивному образованию кристаллов льда, но эта возможность ограничивается процессом спонтанного испарения льда, характеризуемого коэффициентом затвердевания /. В этом случае процесс конденсации описывается уравнением (20), а не уравнением (19). [c.55] Третье явление может быть охарактеризовано коэффициентом затвердевания /, который представляет собой степень устойчивости образовавшихся кристаллических групп. Здесь возникают новые физические процессы, которыми мы пренебрегаем в условиях высокого разрежения. Выделяемая теплота фазового превращения не успевает передаваться через теплопроводящую систему к хладагенту. При этом изменение давления насыщения р , соответствующего температуре охлаждаемой поверхности, не может оказать заметного влияния на коэффициент затвердевания /. Чтобы обнаружить такой эффект, нужно было бы иметь бесконечно большую тепловую проводимость системы или понизить температуру охлаждаемой поверхности до величин совсем другого порядка по сравнению с действительно осуществимыми. [c.55] Вернуться к основной статье