2.10. Откачка паров кипящей жидкости

Процесс в жидкости при уменьшении давления над ее зеркалом в изолированном сосуде напоминает процесс кипения. Через слой жидкости поднимаются пузырьки пара, который откачива­ется вакуумным насосом. Однако, при откачке могут существовать режимы только поверхностного испарения. Например, при от­качке паров He после перехода через -точку видимый процесс кипения прекращается. Режимы поверхностного испарения на­блюдаются также при глубоком вакуумировании азота и кисло­рода. Во всех случаях испаряющийся пар отнимает энергию у жидкости и внутренних стенок сосуда, вследствие чего температура остающейся жидкости и стенок снижается (рис. 2.11).

Скорость изменения температуры жидкости в сосуде определённой геометрии определяется в основном интенсивностью откачки её паров, т.е. производительностью вакуумного насоса. Разные криогенные жидкости имеют различные зависимости давления насыщенных паров и теплоёмкости жидкости от температуры, поэтому при использовании одинаковых насосов темп охлаждения, при прочих одинаковых условиях, разный. Прекращение охлаждения происходит при понижении давления до такой величины, при которой уменьшение энергии компенсируется внешним теплопритоком. По этой причине для ⁴He с помощью даже самых мощных вакуумных насосов не удаётся получить температуру ниже 0,5 К.

Пусть r — скрытая теплота испарения жидкости; m — масса жидкости в сосуде; m_н – начальная масса жидкости; m_ст - масса внутренних стенок; с_ж и c_ст — теплоемкость жидкости и материала стенок; Q_c — теплоприток через изоляцию.

В первом приближении снижение температуры жидкости при откачке ее доли m:

Т (r_ср m_пр – q_c.пр )[(1 - m _пр) с_{ж ср} + 0,5 m_пр с_ж.ср + m_{ст .пр} с _ср.ст]^-1 , (2.29)

где m_пр и q_c.пр - приведенные к m_н величины.

На практике часто применяют этот метод для получения недогретых (ранее называемых переохлажденными) жидкостей. В ре­альных условиях возникают дополнительные потери, главным образом из-за неравновесности и недоиспользования скрытой теплоты испарившейся жидкости. Уходящий пар не находится в равновесии со всей массой остающейся жидкости, в которой существуют температурные градиенты. Наиболее интенсивно ох­лаждаются слои жидкости вблизи ее зеркала. Разность темпера­тур жидкости в режимах кипения обычно не превышает 2 К, а в режимах поверхностного испарения (кроме Не) может дости­гать 5 К. Дополнительные потери зависят от режимов откачки, многих конструктивных факторов, наличия смесителей и др.

Рис. 2.11. Схемы: а — откачки паров криогенной жидкости; б — рефрижератора замкнутого цикла с ад­сорбционным насосом для откачки газов; ВН — вакуумный насос; 1- испаритель; 2 — конденсатор; 3 — адсорбционный насос; q, q_k , q_адс и q_дес- теплота соответственно подводимая, конденсации, адсорбции и десорбции

Дей­ствительные значения Т меньше рассчитанных по формуле (2.29), которую можно уточнить, введя в числитель в общем виде допол­нительные потери q_доп.

Откачку паров жидкостей можно выполнять различными уст­ройствами, в том числе и криогенными вакуумными насосами. На рис. 2.11 показана принципиальная схема криорефрижератора с адсорбционным насосом. В процессе адсорбции происходит откачка паров, и теплота испарения жидкости используется для охлаждения. В процессе десорбции одновременно происходит процесс конденсации рабочего вещества в конденсаторе, и этим процессом цикл замыкается.