ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ Кинетическая теория разреженных газов из "Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения" В книге систематизирован основной материал, необходимый для проектирования и эксплуатации аппаратуры, работающей н разреженной среде. 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 основные типы вакуумных аппаратов химического машиностроения (выпарные, дистил-ляционные, сушилки, фильтры, сублимационные установки, крностаты и др.), вакуумные материалы и арматура, средства для измерения и получения вакуума (конденсаторы, работающие при давлениях выше и ниже тройной точки, насосы механические, струйные и сорбционно-ионные). [c.2] Изложен метод расчета вакуумных сублимационных конденсаторов, который позволяет определять необходимую поверхность конденсации аппарата произвольного профиля. На этой основе разработан способ расчета сублимации.шых установок. [c.2] Книга предназначена для инженерно-технических работников конструкторских бюро и предприятий, проектирующих и эксплуатирующих вакуумное оборудование, она может быть полезной студентам, специализирующимся в юбласти вакуумного аппаратостроения. [c.2] Решениями ХХП съезда КПСС предусмотрено быстрое и всестороннее развитие химической промышленности, полное использование во всех отраслях народного хозяйства достижений химии. Это, -в свою очередь, требует от машиностроителей создания новейшей химической -аппаратуры на базе развития современных достижений физики и внедрения их в различные отрасли химического машиностроения. [c.3] Вакуумная аппаратура начинает занимать все большее и большее место в химическом машиностроении. [c.3] Аппараты, работающие в условиях вакуума, делятся на две группы в зависимости от степени разрежения. К первой группе относятся аппараты, работающие в диапазоне давлений от атмосферного до тройной точки. Ко второй группе относятся аппараты, работающие ниже тройной точки. В аппаратах первой группы может происходить переход из газообразного состояния только в жидкое и обратно в аппаратах второй группы как процесс испарения, так и обратный процесс— конденсация — представляют со бой переход из твердого состояния в газообразное и обратно. Аппараты второй группы получили на-звание сублимационных. В. каждой группе законы испарения и конденсации имеют свои особенности. В соответствии с этими физическими процессами и разрабатывается необходимая аппаратура. [c.3] Материалы по вакуумной аппаратуре — химической, электротехнической, авиационной, ракетной, металлургической, пищевой и медицин-ской—разбросаны в различных источниках, поэтому уже давно назрела потребность в едином пособии. [c.3] В настоящей книге сделана попытка систематизировать основной материал, необходимый для проектирования и эксплуатации главным образом теплообмекной аппаратуры, работающей в условиях низкого (Кп 1), среднего (Кп 1) и высокого (Кп -1) вакуума подобраны средства для получения и измерения разрежения. Проблеме создания аппаратуры для получения вакуума в настоящее время придается огромное значение. Это связано с тем, что рост науки и техники создал потребность в колоссальных скоростях откачки (10 —10 л1сек). Такие скорости создаются в основном методом адсорбции и конденсации паров и газов, в связи с чем проблема конденсации в вакууме выдвинулась на первый план. [c.3] Поэтому ясно, какое огромное внимание должно быть уделено проблеме разработки высокопроизводительной аппаратуры. Но создание рациональных конструкций вакуумных аппаратов тормозится отсутствием теории тепломассообмена в разреженных средах. До тех пор, пока не будет такой теории, конструирование вакуумных аппаратов будет производиться эмпирическим путем. [c.4] Развитие теории теплообмена не может протекать без знания законов строения молекул, атомов и других частиц, а также без знания сил взаимодействия между этими частицами. В разреженной среде нельзя ограничиваться рассмотрением только процессов теплообмена между нейтральными молекулами и их комплексами, а надо учитывать это явление в совокупности с процессом образования ионизированных, частиц, со свободными электронами, квантами (фотонами) энергии и многими другими элементарными частицами. Из анализа ассоциированного комплекса можно непосредственно определить различные дискретные энергетические состояния молекул газа и на основе этого сделать выводы относительно роли колебания и вращения ядер в молекуле при образовании комплекса из молекул пара и газа. Зная общую колебательную и вращательную энергии, а также энергию движения электронов в молекуле на различных уровнях, можно определить силы, действующие при образовании комплексов. [c.4] В связи с этим первая часть книги посвящена теоретическим вопросам вакуумной техники. Здесь рассматриваются вопросы вакуумной проводимости, теории теплообмена без фазовых превращений, испарения и конденсации как в присутствии неконденсирующихся газов, так и в присутствии заряженных частиц и квантов энергии в условиях вакуума. Вопросам сублимации и конденсации ниже тройной точки уделено больше внимания, чем другим проблемам, так как по этим вопросам опубликовано весьма мало работ как в СССР, так и за границей, несмотря на острую необходимость в таких данных при расчете теплообменной вакуумной аппаратуры. В то же время по конденсации и испарению водяного пара ниже тройной точки в НИИХИММАШе и МИХМе на кафедре теоретических основ теплотехники длительное время проводятся исследования и собран нужный материал для конструкторов и эксплуатационников. [c.4] В книге обо бщены материалы научно-исследовательских и учебных институтов, а также заводов химического машиностроения. При развитии теории теплообмена, вакуумной проводимости, систематизации аппаратуры и приборов, работающих в разреженной среде, были использованы работы советских и зарубежных ученых. [c.4] Теплообмен в вакуумных аппаратах охватывает три совершенно различных по своей природе процесса теплопроводность, конвекцию и излучение. Эти процессы связаны с одним и тем же 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 тепломассообмена. Обмен энергией между частицами как в объеме, так и на поверхности происходит в состоянии ассоциации — конденсации и адсорбции. В ядерной физике имеет место аннигиляция — энергетический процесс превращения элементарных частиц, например превращение позитронов и электронов в гамма-кванты. [c.5] Таким образом, под переносом тепла понимается перенос частиц с разной энергией из одного места другое. Ассоциация молекул друг с другом или молекул газа с твердой поверхностью есть обязательное условие для обмена энергиями между взаимодействующими частицами. Ассоциация молекул происходит даже при упругом столкновении, когда энергетическая разность между сталкивающимися молекулами может быть минимальной. В этом случае образующийся ассоциированный комплекс, состоящий из двух-трех молекул, крайне неустойчив и может легко распадаться. Для образования более устойчивой ассоциированной частицы — ассоциата или комплекса — из двух молекул. равной энергии необходимо наличие третьей частицы с меньшей энергией, чем у первых двух частиц. В этом случае третья частица берет на себя энергию ассоциации, являясь аккумулятором энергии образовавшегося комплекса (26]. Если же имеют место неупругие столкновения молекул реального газа, которые обычно начинаются при достижении определенного энергетического уровня колебания и вращения молекул, то увеличивается число ассоциированных частиц. Образование комплексных частиц происходит и с молекулами, у которых потеря энергии сопровождается переходом электрона на низший энергетический уровень, и с ионами. В момент образования комплекса происходит как бы выравнивание энергии между ассоциирующимися частицами. 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, состоящих из нескольких молекул, описывается в первом приближении уравнением ассоциации. Природа ассоциации молекул реальных газов основана на электрических силах. 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 процессы передачи энергии в капельных средах. По современным представлениям надо считать вероятным, что в жидкости больше проявляются структурные свойства твердых тел, 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 в количественном отношении, если такой процесс и имеет место, он пренебрежимо мал, особенно при температурах, близких к тройной точке, по сравнению с переносом энергии элементами решеток и комплексами. [c.6] Процессы переноса энергии 1в твердых телах происходят еще сложнее, чем в жидкостях. В частности это относится к процессу сублимации— испарения с твердой поверхности. В твердом веществе радиус упорядоченного взаимодействия молекул значительно больше, чем в жидкой среде. Отсюда следует, что для разрушения сил взаимодействия между молекулами, составляющими поверхность испарения, т. е. для вырывания частиц с поверхности твердого тела, требуется значительно больше энергии, чем при вырывании тех же частиц с поверхности жидкости. Затрата энергии идет 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 конденсации водяного пара в твердое состояние только для условий высокого вакуума. При увеличении давления в среде определенная часть испарившихся молекул вещества не успевает отводиться и возвращается обратно на поверхность сублимации. Это явление в уравнении скорости сублимации учитывается коэффициентом сублимации к. 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 отдель юсти, адсорбируются при этом молекулы пара образуют твердую фазу, оставляя под слоем льда часть молекул неконденсирующихся газов водорода, азота, углекислого газа, дИфтордихлорметана, аргона, гелия. Этот эффект дает возможность создать высокопроизводительные адсорбционно-конденсационные насосы с коомическим разрежением. Теоретически пределом разрежения такого насоса является давление насыщения водяного пара, соответствующее температуре конденсации. [c.6] Такой процесс испарения за счет собственной энергии кристаллизации получил название спонтанного испарения. Без учета спонтанного испарения нельзя применять уравнения, полученные в условиях высокого вакуума, для определения скорости конденсации в среднем и низком вакууме. Проведенные экспериментальные исследования позволили высказать предположение о механизме изменения энергии молекул и роли заряженных частиц и ионов при (конденсации, что позволило разработать метод расчета сублимационных конденсаторов во всем диапазоне давлений ниже тройной точки. На этой основе оказалось возможным найти поверхность сублимации из равенства Рс=г Р, (1] — оэффициент использования поверхности). Вследствие этого отпадает необходимость формального введения коэффициента теплоотдачи. [c.7] Вернуться к основной статье