Применение охлаждаемых ловушек в вакуумных установках. Во многих вакуумных установках, где должно поддерживаться давление порядка 10-6 мм Hg, между разрежаемым объемом и пароструйным насосом обычно помещают охлаждаемые ловушки или специальные вещества для поглощения конденсируемых паров. В некоторых случаях желательно ставить ловушки между высоко вакуумным насосом и насосом предварительного разрежения, чтобы защитить последний от конденсируемых паров, которые могут окислить или разрушить масло в насосе. Накопился уже богатый опыт применения охладителей в вакуумных установках. В настоящую главу полезно включить некоторые указания по этому вопросу.
Если в установке имеется охлаждаемая поверхность, то эта поверхность действует как ловушка для всех паров, давление которых соответствует давлению насыщенного пара при температуре, превосходящей температуру охлаждаемой поверхности. Например, если в установку ввести сосуд с жидким азотом, то в конце концов в объеме установится давление, определяющееся упругостью паров наиболее летучего из имеющихся там веществ при температуре кипения жидкого азота. Водяные пары вымораживаются жидким азотом до давления порядка 10-7 мм Hg, поэтому жидкий азот широко применяется для защиты установок от воды. Пока не достигнуто давление насыщенного водяного пара при температуре жидкого азота, быстрота откачки охлаждаемой поверхности близка к действию отверстия, открытого в идеальный вакуум (см. гл. I), т. е. при низком вакууме составляет около 15 л!сек-см2.
Почти всегда значительная часть газа, удаляемого при первичном разрежении, представляет собой пары воды, поэтому наличие охлаждаемых поверхностей существенно убыстряет первичное разрежение. Обычно применяется ловушка с поверхностью 300 см2 на каждые 1000 л разрежаемого объема. Пусть быстрота откачки насоса, присоединенного к установке объемом 2000 л, составляет 2500-—5000 л[сек. Ловушка с поверхностью 600 см2, наполненная жидким азотом, имеет быстроту откачки паров воды около 9500 л!сек. Нетрудно видеть, что до тех пор, пока среди откачиваемых газов много паров воды, ловушка более эффективна, чем насос.
Большой недостаток охлаждаемых ловушек состоит в том, что пар, конденсирующийся на поверхности, должен удерживаться там до конца всей операции. Было предложено множество конструкций съемных ловушек, которые можно вынимать из установки без нарушения вакуума, как только концентрация водяных паров достаточно снижена (см. гл. IV). Надежность этих конструкций весьма сомнительна, так как все они содержат разного рода уплотнения.
Была сконструирована и опробована ловушка, которая может быть полностью изолирована от установки [9]. Испытания показали, что установка может работать и без ловушки, но при внезапном случайном перегреве в ней появляются пары воды в таком количестве, что быстрота откачки насосов становится недостаточной. Если же ловушка остается, то быстрота откачки водяных паров всегда достаточно высока.
Заслуживает обсуждения вопрос о размещении ловушек в установке. При конструировании промышленных вакуумных агрегатов соображения экономии охладителя иногда вынуждают принять некоторое половинчатое решение. Вообще говоря, наиболее эффективное расположение ловушки — как можно ближе к источникам паров воды. Однако эти пары обычно выделяются поверхностями, нагретыми до высоких температур. Тепловая экранировка вблизи ловушки понижает ее быстроту откачки. Значит, нужно находить какое-то оптимальное решение.
Во всяком случае, ловушки следует ставить по возможности ближе к участкам, где требуется хорошее разрежение, так как даже в камерах с большим проводящим сечением присутствие эффективного поглотителя, которым является ловушка, вызывает большие перепады давления.
Поведение охлаждаемой ловушки достаточно изучено, так что конструкция ее может быть приспособлена к тем или иным требованиям. Истинные требования известны для каждого конкретного случая только в весьма грубом приближении, и обычно приходится находить оптимальные решения чисто опытным путем. Рассмотрению подлежат следующие характеристики ловушки:
а) Быстрота откачки. Уже говорилось о том, что быстрота откачки ловушки, работающей в качестве поглотителя конденсируемых паров, определяется углом, под которым видна поверхность ловушки (см. гл. I). Эффективность ловушки в смысле удаления паров с участков, где они десорбируются, должна подсчитываться с учетом сопротивления трубопроводов или частей камеры, расположенных между ловушкой и источником десорбции. В случае, когда одновременно происходит удаление газа по тому же пути пароструйными насосами (как это обычно и бывает), перепад давления на коммуникациях следует подсчитывать, исходя из общей быстроты откачки. Соображения этого же рода определяют площадь, необходимую для эффективного удаления паров.
б) Расход охладителя. Быстрота выкипания охладителя определяется двумя следующими условиями: разностью температур между охладителем и стенками ловушки и количеством конденсирующихся паров.
Тепло, поглощаемое охладителем, почти полностью обязано излучению, так как прямая теплопроводность газов в вакуумной установке практически ничтожна. Количество тепла можно подсчитать по формуле где Н — тепло, поглощаемое за единицу времени, Е — коэффициент черноты, А — площадь ловушки, соприкасающаяся с охладителем, Т2 — абсолютная температура окружающих стенок,
— абсолютная температура охладителя. Вообще говоря, константа Е соответствует случаю черного излучения, так как после образования на ловушке слоя конденсата состояние собственной поверхности ловушки уже не играет никакой роли. Таким образом, если скрытое тепло испарения охладителя обозначить через I, то расход вещества за единицу времени составляет
Эта формула вполне справедлива для открытых ловушек, так как в этом случае пары охладителя уходят в атмосферу при температуре кипения охладителя.
в) Способы экономии охладителя. Как показал опыт, можно экранировать ловушку от излучения, не снижая при этом заметно эффективности самой ловушки. Облицовка стенок камеры вблизи ловушки алюминиевой фольгой или листовым алюминием может сэкономить 40 — 60% охладителя. Производились также опыты с подвижным экраном, конструкция которого позволяет ограждать ловушку, когда установка не трубует ее работы. Применение этого устройства позволяет снизить расход до 5% первоначального. Экранированная ловушка, естественно, не принимает участия в разрежении.
Как указано выше, расход охладителя пропорционален поверхности, непосредственно соприкасающейся с охладителем. Испарение из ловушки тем больше, чем больше в ней охладителя. С другой стороны, поверхность ловушки, на которой уже имеется конденсат, должна поддерживаться достаточно холодной во избежание обратной возгонки.
Существует несколько систем автоматической регулировки уровня, не получивших широкого распространения.
е) Конструкция. Охлаждаемые ловушки обычно делают из нержавеющей стали. К прочности конструкции предъявляются высокие требования, так как внезапное попадание жидкого азота в установку, где имеются накаленные металлические поверхности, неизбежно поведет к аварии.
Лабораторные ловушки изготавливаются из прокатанной нержавеющей стали и имеют цилиндрическую форму с коническим или плоским давленым дном. Весь узел
после сварки должен быть тщательно испытан на герметичность. Для крепления обычно используется горлышко ловушки, однако иногда желательно иметь дополнительные подпорки (фиг. 37).