ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ Молекулярная теория разреженных газов из "Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения Издание 2" Приведены теоретические основы вакуумной техники (кинетическая теория разреженных газов, расчет пропускной способности вакуумных систем, основные сведения из теории теплообмена при испарении и конденсации в вакууме) описаны различные вакуумные аппараты химического машиностроения, вакуумные материалы и арматура, средства для получения и измерения вакуума (в том числе и для измерения космического вакуума). [c.2] Изложен метод расчета вакуумных де-сублимационных конденсаторов, который явился основой для разработки способа расчета сублимационных установок. Этот метод позволяет определять необходимую поверхность конденсации аппарата произвольного профиля. [c.2] В таблицах приведены физико-технические характеристики, необходимые для расчета и эксплуатации вакуумной аппаратуры. [c.2] Книга предназначена для инженерно-технических работников конструкторских бюро и предприятий, проектирующих и эксплуатирующих вакуумное оборудование. Она может быть полезна научным работникам, специализирующимся в области вакуумного аппаратостроения. [c.2] список лит. 70 назв. [c.2] В современных криогенных насосах рабочая поверхность используется для образования твердого конденсата не более чем на. 25—30%.. Чтобы увеличить продолжитель ность работы криогенных насосов существующих конструкций, требуется построение по переменно работающих криогенных откач-ных систем, что значительно удорожает технологический процесс производства. В книге рассмотрены криогенные насосы, в которых поверхность конденсации используется более чем на 90%, что увеличивает срок их непрерывной работы в 3—4 раза. [c.3] Во втором издании книги в мало измененном виде остались лишь главы I и II, остальные переработаны и дополнены новым материалом. [c.3] Теплообмен в вакуумных аппаратах состоит из трех различных по своей природе процессов теплопроводности, конвекции и излучения. Эти процессы связаны с одним физическим явлением — переносом массы (молекул, атомов, элементарных частиц) с разной энергией из одной области пространства в другую. С точки зрения физики, каждый из этих трех процессов представляет собой совокупность одновременно протекающих явлений тепло-массообмена. Обмен энергией между частицами как в объеме, так и на поверхности происходит в состоянии ассоциации—конденсации и адсорбции. Условием для образования из молекул ассоциированного комплекса является принцип запрета Паули. В ядерной физике имеет место аннигиляция — энергетический процесс превращения элементарных частиц, например превращение позитронов и электронов в гамма-кванты. [c.5] Таким образом, перенос тепла — это перенос частиц с разной энергией из одного места в другое. Ассоциация молекул одна с другой в объеме или молекул газа с молекулами твердой поверхности есть обязательное условие для обмена энергиями между взаимодействующими частицами. Молекулы ассоциируются даже при упругом столкновении, когда энергетическая раз ность между сталкивающимися молекулами минимальна. В этом случае ассоциированный комплекс, состоящий из двух-трех молекул, крайне неустойчив и может легко распадаться. Для образования более устойчивой ассоциированной частицы из двух молекул с равной энергией необходимо наличие третьей частицы с меньшей энергией, чем у первых двух. В этом случае третья частица поглощает энергию ассоциации, являясь аккумулятором энергии образовавшегося комплекса. В полном аналитическом аспекте эта задача решается только с помощью теории Дирака. При неупругих столкновениях молекул реального газа, которые обычно начинаются при достижении определенного энергетического уровня колебания и вращения молекул, число ассоциированных частиц увеличивается. Комплексные частицы образуются из молекул, у которых потеря энергии сопровождается переходом электрона на низший энергетический уровень, и из ионов. В момент образования комплекса энергия ассоциирующихся частиц как бы выравнивается. Время существования и длина свободного пробега ассоциированных комплексов зависят от энергетического состояния молекул до столкновения и от числа столкновений комплекса с другими частицами. [c.5] Процесс образования в объеме комплексных частиц описывается в первом приближении уравнением ассоциации. Ассоциация молекул реальных газов основана на действии электрических сил. Эти силы обусловлены взаимодействием отдельных положительных и отрицательных зарядов, входящих в состав каждой молекулы, которая в целом является электрически нейтральной. [c.5] Значительно сложнее по своей физической природе процёссы передачи энергии в капельных средах. Можно считать вероятным, что в жидкости структурные свойства твердых тел проявляются больше, чем газообразных, поэтому носителями энергии в капельной жидкости при конвективном теплообмене являются структурные элементы и, по-видимому, ассоциаты, состоящие из двух и более молекул. Не исключена возможность и других более сложных форм переноса энергии в жидкостях. Что касается возможного переноса тепла отдельными молекулами в жидкой среде, то такой перенос если и происходит, то он в количественном отношении пренебрежимо мал по сравнению с переносом энергии элементами решеток и комплексами, особенно при температурах, близких к тройной точке. [c.6] Процессы переноса энергии в твердых телах протекают еще сложнее, чем в жидкостях. В частности, это относится к процессу сублимации — испарения с твердой поверхности. Радиус упорядоченного взаимодействия молекул твердого вещества значительно больше, чем жидкого. Отсюда следует, что для преодоления сил взаимодействия между молекулами, составляющими поверхность испарения, т. е. для вырывания частиц с поверхности твердого тела, требуется значительно больше энергии, чем для вырывания тех же частиц с поверхности жидкости. Энергия затрачивается не только на десорбцию отдельных молекул, но и на разрушение кристаллических решеток вещества и на вырывание комплексов с твердой поверхности. [c.6] Кинетическая теория газов позволила вывести аналитические соотношения для определения скорости сублимации льда и скорости десублимации водяного пара только для условий высокого вакуума. При увеличении давления в среде определенная часть испарившихся молекул вещества не успевает отводиться и возвращается на поверхность сублимации. Это явление в уравнении скорости сублимации учитывается коэффициентом сублимации. При конденсации в условиях высокого вакуума и низких температур практически все молекулы газа и водяного пара, падающие на холодную поверхность в ассоциированном состоянии или по отдельности, адсорбируются. При этом под слоем льда остается часть молекул неконденсирующихся газов водорода, азота, углекислого газа, дифтордихлорметана, аргона, гелия. Этот эффект дает возможность создать высокопроизводительные адсорбционно-конденсационные насосы для сверхвысокого вакуума. Теоретическим пределом разрежения такого насоса является давление насыщения водяного пара, соответствующее температуре конденсации. [c.6] В высоком вакууме теплота фазового превращения может полностью отводиться от участков поверхности, на которых образуется твердая фаза. При увеличении давления поступающего пара, и, следовательно, увеличении количества молекул, падающих на единицу поверхности конденсатора в единицу времени, выделяющееся количество тепла превышает, теплоотвод через стенки. В этом случае определенная часть теплоты фазового превращения сконденсированного пара не успевает отводиться от поверхности конденсации и расходуется на частичный распад уже образовавшихся кристаллических групп, т. е. на образование некоторого обратного потока молекул от стенки. Такое испарение называют спонтанным. Без учета спонтанного испарения нельзя применять уравнения, полученные при условиях высокого вакуума, для определения скорости конденсации в среднем и низком вакууме. [c.6] Исследования процессов десублимации и сублимации выявили интенсифицирующую роль неконденсирующихся газов в определенных условиях разрежения. Интенсификация процесса сублимации вызвана тем, что молекулы неконденсирующегося газа, достигшие поверхности испарения, ассоциируются со свободными молекулами пара и, отражаясь в этом комплексе от поверхности испарения, уносят их к поверхности конденсатора. Чем больше атомов в молекуле неконденсирующегося газа и чем больше энергия молекул, тем эффективнее их воздействие на процесс испарения ниже тройной точки. Чем больше энергии отдает молекула неконденсирующегося газа поверхности сублимируемого вещества, тем больше испаряется с этой поверхности молекул пара. В соответствии с этим в современных сублимационных аппаратах рекомендуется вести процесс конденсации и испарения в присутствии остаточного газа, если это допустимо по технологическим условиям. При низких температурах наиболее эффективными частицами, интенсифицирующими процесс сублимации, являются молекулы и кванты с большой энергией, а частицами, интенсифицирующими процесс конденсации водяного пара в твердое состояние, — молекулы газа с минимальной энергией и положительные и отрицательные ионы. [c.7] Наше предположение о том, что в присутствии ионов в объеме аппарата процесс конденсации будет протекать более интенсивно, полностью подтверждено экспериментально в работах А. К. Жебровского [17]. В результате проведенных исследований поставлен вопрос о создании промышленных ионных. конденсаторов и вакуумных адсорбционно-конденсационных насосов большой производительности. [c.7] Вернуться к основной статье