Ловушки вакуумные

0

Холодные ловушки. Вакуумные насосы, являясь прекрасным средством удаления газов из вакуумной системы, не только не обладают достаточной эффективностью для удаления паров, но, как мы уже неоднократно отмечали, сами являются источниками паров рабочих жидкостей, распространяющихся по всей вакуумной системе. Из этих соображений в вакуумной технике необходимо применение вспомогательного способа получения высокого вакуума путем интенсивной конденсации (вымораживания) паров, имеющихся в вакуумной системе, при помощи ловушек с охлаждающими средствами (холодных ловушек).

Холодные ловушки, помещаемые в соответствующий участок вакуумной системы, не только не пропускают пары рабочих жидкостей из насосов и манометров в откачиваемый объект, но и улавливают пары, имеющиеся в откачиваемом объекте, с быстротой действия, часто во много раз превышающей быстроту действия пароструйных и тем более вращательных насосов.

Охлаждающие средства. В качестве охлаждающих средств для ловушек наибольшее распространение получили твердая углекислота, размешанная в виде кашицы в ацетоне, спирте или эфире, и ожиженные тазы, главным образом жидкий воздух и жидкий азот (жидкий кислород не применяется из-за опасности взрыва в присутствии масла).

Холодильные смеси с твердой углекислотой способны создавать охлаждение примерно до —80° С, жидкий воздух и жидкий азот — до— 183—196° С. Табл. 5-1 показывает, до какого- значения можно при помощи ловушек снизить давление насыщенных паров воды и ртути, с которыми часто приходится иметь дело в вакуумной технике. Давление насыщенных паров масел для пароструйных насосов снижается примерно на один порядок.

Конструкции холодных ловушек. Ловушки могут иметь различные конструкции, отличаясь как размерами холодных поверхностей, так и формой. На рис. 5-72 показаны наиболее распространенные виды ловушек.

Исходным материалом обычно служит стекло того же состава, что и соединительные трубки, куда должна быть впаяна ловушка Основными требованиями, которым должна удовлетворять конструкция ловушки, являются наличие холодной поверхности достаточных размеров и такая канализация поступающего в ловушку газа и пара, чтобы они могли попасть к выходу из ловушки только после соприкосновения, по возможности, со всей ее холодной поверхностью.

Кроме того, ловушка должна иметь достаточную пропускную способность, которая, как мы знаем, сильно снижается, если проход через ловушку сделан слишком узким; проходя ловушку, газ, во-первых, сильно охлаждается и, следовательно, уменьшается средняя скорость теплового движения газа (пропорционально квадратному корню из температуры); во-вторых, длительность пребывания молекул газа на холодных стенках ловушки значительно больше, чем на стенках при комнатной температуре. В результате пропускная способность ловушки в рабочем состоянии по сравнению с пропускной способностью при комнатной температуре снижается примерно в 2 раза.

Из рис. 5-72 видно, что некоторые виды ловушек (а, б) имеют двойные стенки и, следовательно, сами _ могут служить резервуаром для охлаждающего средства; другие (в) нуждаются в отдельном сосуде, в который погружают их для работы и который, как мы знаем ( 3-7, рис. 3-9), так-где А — площадь холодных стенок ловушки;

Т — температура пара, поступающего в ловушку;

И — молекулярный вес пара.

При пользовании этой формулой не следует забывать, что она справедлива для высокого вакуума и полученное значение совпадает с быстротой удаления пара из объекта лишь в том случае, если холодная поверхность ловушки сообщается с откачиваемым объектом непосредственно, без каких-либо промежуточных соединительных трубок; поскольку каждый объект имеет откачную трубку, которой он присоединяется, в свою очередь, к трубопроводу, ведущему к ловушке, фактическая быстрота удаления ловушкой пара из объекта зависит от пропускной способности трубок в той же мере, как это имеет место при удалении газов насосами [см. уравнение (4-10) или (4-11)].

Мы видим, что прямо пропорциональна площади холодной поверхности ловушки, обратно пропорциональна квадратному корню из молекулярного веса пара и прямо пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры пара в ловушке.

Двойные стенки, в пространстве между которыми должен поддерживаться весьма высокий вакуум (для уменьшения теплопроводности), предохраняют от притока тепла в ловущку и связанного с этим быстрого расхода охлаждающего средства. Однако требованию возможно более длительного сохранения охлаждающего средства нельзя удовлетворить только наличием высокого вакуума между двойными стенками. Необходима также защита и от теплообмена с окружающей средой путем излучения; для этого стенки ловушек (если они двойные) и сосудов покрываются зеркальным слоем какого-либо металла (алюминия или серебра), благодаря чему они почти полностью отражают падающее на них от окружающих предметов излучение. Зеркализация экономит расход охлаждающих средств по крайней мере в 2 раза.

Быстрота действия холодных ловушек определяется объемом пара, конденсирующегося на холодных стенках за 1 сек и измеренного при давлении пара в ловушке. Аналогично быстроте действия пароструйного насоса величину $л можно определить по формуле (2-8):

В формулу быстроты действия ловушки совершенно не входит давление; это показывает, что величина от давления не зависит; однако это условие является справедливым лишь до тех пор, пока давление пара в ловушке велико по сравнению с окончательным равновесным давлением; поскольку же давление пара по мере конденсации стремится не к нулю, а к определенному конечному давлению (насыщенного пара), соответствующему температуре холодных стенок, величина должна вблизи этого давления заметно снижаться, приняв значение = 0 при достижении равновесного давления.

Практическая работа с холодными ловушками. При практической работе с холодными ловушками необходимо придерживаться следующего основного правила.

Прежде чем ловушку подвергнуть охлаждению, необходимо провести основную откачку данного прибора, т. е. удаление основной массы воздуха, прогрев стекла в печи для удаления водяного пара и, наконец, откачку до достаточно низкого давления, при котором уже начинается заметная диффузия пара рабочей жидкости из насоса и манометра в вакуумную систему. В случае применения ртутных насосов и манометров таким давлением является давление порядка 102 мм рт. ст. По достижении этого давления следует начать постепенное охлаждение ловушки. Охлаждению подвергается сначала нижний конец ловушки, что продолжается до тех пор, пока давление паров в вакуумной системе не снизится до предельного; после этого вся ловушка погружается в сосуд Дьюара.

Такой порядок работы необходим по следующим соображениям. Положим, что мы охладили ловушку с самого начала откачки, когда в вакуумной системе было еще атмосферное давление. Тогда на ее поверхности начнут конденсироваться не-только пары, например влага, но и газы, входящие в состав воздуха. В связи с этим по мере понижения давления газов в вакуумной системе в процессе откачки, когда оно станет ниже давления насыщения для сконденсировавшихся газов, соответствующего температуре ловушки, со стенок последней начинается обратное газбвыделе-ние, что, конечно, замедляет откачку.

Например, если вымораживается водяной пар, то, принимая температуру пара в ловушке равной 20° С, имеем:

Особенно неблагоприятное положение создается в связи с конденсацией водяного пара, который в вакуумной системе всегда присутствует в начале откачки в качестве состав-, ной части воздуха и в качестве пара, выделяющегося со стенок прогреваемого стекла. Если ловушка преждевременно охлаждается смесью с твердой углекислотой (температура около —80°С), то значительная часть водяного пара конденсируется на холодных стенках ловушки, и в системе долгое время поддерживается давление 4 • 104 мм рт. ст. (насыщенных паров воды при —80° С). Вся откачка будет в связи с этим сводиться лишь к медленному удалению водяного пара, выделяющегося со стенок ловушки.

Выделение водяного пара, конденсировавшегося на стенках ловушки, будет наблюдаться и в том случае, если ловушка преждевременно охлаждена жидким азотом или жидким воздухом погружением сразу на всю глубину. По мере Испарения охлаждающей жидкости и понижения ее уровня верхние участки стенок ловушки становятся менее холодными и начинают снова выделять сконденсировавшийся на них водяной пар.

Аналогично ведут себя и другие пары, если их преждевременно конденсировать на стенках ловушки или если ловушку сразу охладить на всю глубину.

Механические ловушки. Помимо холодных ловушек, специально для паромасляных насосов разработаны ловушки, работающие не при помощи охлаждающих средств, а путем механического улавливания паров масла, стремящихся диффундировать в вакуумную систему; правда, и механические ловушки часто охлаждаются проточной водой.

Механические ловушки, конечно, менее эффективны по сравнению с холодными, но обладают тем преимуществом, что благодаря отсутствию охлаждающих средств и в связи с этим большой свободе в их конструктивном оформлении механическим ловушкам можно придавать размеры, почти не сказывающиеся на быстроте откачки объекта, что особенно важно для насосов, обладающих большой быстротой действия.

На рис. 5-73 схематически изображен так называемый механический щиток, действие которого заключается в следующем. Молекулы пара, диффундирующие из холодильника насоса, летят благодаря высокому вакууму по прямолинейным путям непосредственно на охлаждаемые проточной водой стенки щитка; молекулы пара, стремящиеся попасть отсюда непосредственно в вакуумную систему, встречают систему плоских алюминиевых колец, которыми они также задерживаются.

При насосах, обычно применяемых для откачки электровакуумных приборов, удобно пользоваться стеклянной механической ловушкой, изображенной на рис. 5-74 и работающей аналогично щитку с кольцами. Пропускной способности трубопровода эта ловушка практически не снижает.

Leave A Reply