lection_part1-2

гии n ≡Q, импульса n ≡v (скорость слоя) – величина, определяемая как количество n, переносимое в единицу времени перпендикулярно единичной площади сечения, через которое происходит перенос;

Кn – соответствующий коэффициент пропорциональности (коэффициент диффузии D, теплопроводности λ, вязкости η;

или grad A = dAdxn (здесь и далее для простоты рассмотрим одномерный случай);

→ → →

i , j, k – единичные направляющие вектора осей Ox, Оy, Оz соответ-

ственно (орты); знак «–» означает, что поток направлен в сторону, противоположную

направлению градиента.

Диффузия описывается законом Фика ( ρ = m0 n0 ):

Следует различать концентрационную диффузию, вызванную не-

равновесным распределением частиц (в общем случае разной химической природы) в рассматриваемом объеме, и самодиффузию – броуновское (тепловое) движение собственных частиц вещества в заданном объеме этого вещества (даже в равновесных условиях), например, диффузия газа через проницаемую перегородку при условии, что газ по обе стороны перегородки уже абсолютно тождественен. При строгом расчете диффузионных потоков следует также учитывать и термодиффузию (1917г., С.Чепмен (1888–1970), Д.Энског). Например, если концы трубы, заполненной однородной смесью двух газов, имеют разные температуры, то вдоль трубы возникают противоположно направленные диффузионные потоки этих газов. Причем, молекулы большей массы стремятся перейти в более холодные области, а с меньшей – в более нагретые. Если же массы примерно одинаковы, а размеры разные, то в холодную область стремятся перейти

121

более крупные молекулы, а в теплые – менее крупные. Коэффициент диффузии в уравнении (10.6) существенно зависит от температуры (D=f(T)).

Направление термодиффузионных потоков сильно зависит от характера взаимодействия между молекулами. Если молекулы считать силовыми центрами с радиусом действия ~1/ra (отталкивание), то при переходе через а=5 потоки меняют свои направления на противоположные, а при а=5 термодиффузия исчезает. Строгая теория, описывающая термодиффузию, сложна, громоздка и выходит за рамки данного курса.

Теплопроводность – передача тепла от более нагретых областей к менее нагретым вследствие теплового движения молекул – описывается законом (1822 г., «Аналитическая теория тепла») Ж.Б.Ж. Фурье (1768–

1830):

Передача импульса – вязкость, определяемая согласно уравнению

(8.8), описывается законом И.Ньютона:

Если в газе или жидкости создать упорядоченное движение («ток»), то вследствие теплового движения скорости слоев с течением времени будут выравниваться. Вязкость – взаимопроникновение друг в друга, также обусловлена тепловым движением.

Таким образом, вышеперечисленные явления переноса неотделимы друг от друга, их следует рассматривать во взаимосвязи. Приме-

ром может служить (конвективный) теплообмен между потоками жидкости и поверхностью твердого тела (радиатора). Как правило, при этом возникает конвекция – восходящее движение нагретых слоев жидкости и нисходящее – охлаждаемых, т.е. происходит не только перенос тепла, но и массы (жидкости). В связи с этим в литературе часто пользуются понятием тепломассопереноса.

122

10.4. Методы получения вакуума и свойства разреженных газов

Рассмотрим актуальный для многих производств вопрос – получение вакуума и свойства разреженных газов.

Вакуум – разреженный газ, находящийся при давлении ниже атмосферного. Понятие вакуума достаточно условно. Для количественной оценки степени вакуума Комитет стандартов Американского вакуумного общества предложил следующую классификацию вакуума:

Термин высокий вакуум в более широком смысле используется для систем с давлением ниже 10-3 мм.рт.ст. Термин «форвакуум» используется для обозначения предварительного разрежения, достигаемого с помощью механических низковакуумных насосов. Для количественных оценок степени вакуума используются следующие характеристики: давление; концентрация молекул (атомов) в единице объема, средняя длина свободного пробега; температура газа; время образование (адсорбции) монослоя газа на поверхности (слоя в одну молекулу).

Молекула при своем движении, в состоянии вакуума чаще сталкивается со стенками сосуда (размером l), чем с другими молекулами, сильно увеличивается длина свободного пробега λ (низкий вакуум <λ><<l, средний – <λ>≈l, высокий – <λ>>>l). При этом интенсивность возможных потоков вещества, энергии, импульса резко уменьшается, соответствующие коэффициенты явлений переноса становятся малыми, поэтому вакуумизация позволяет достичь хорошей тепловой изоляции (термос и сосуд Дьюара с вакуумными колбами).

Если рассматривать ультраразреженный газ, находящийся в двух соединенных между собой сосудах, то в условиях высокого вакуума выравнивания давлений не происходит (эффект М.Х.К.Кнудсена (1871–1949)), давление в сосудах будет определяться из условия равенства встречных потоков между сосудами:

Заменяя концентрации согласно формуле (9.9), а скорости согласно формуле (9.21), получим равенство, выражающее эффект Кнудсена:

123

Вакуумные насосы – приборы для получения вакуума – подразделяются по принципу действия и по назначению. Исходя из первого признака, существуют механические насосы и физико-химические. Вакуумные насосы подразделяют на насосы низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума.

К низковакуумным относят механические поршневые и двухступенчатые насосы, ротационные пластинчатые, двухроторные и винтовые насосы, насосы с частичным внутренним сжатием и водокольцевые. Давление, достигаемое в них, составляет P ≈ 0,3...1Па. К средневакуумным относят пластинчато-роторные насосы и насосы с катящимся ротором, сорбционные насосы, давление в которых P≈1...10-1 Па.

Для создания глубокого вакуума используются насосы, эксплуатируемые только вместе с форвакуумными, поскольку для их работы необходимо предварительное разряжение. К высоковакуумным насосам относят молекулярные и турбомолекулярные, давление в которых P ≈ 10-4...10-6 Па. К сверхвысоковакуумным относят магниторазрядные, геттерно-ионные, конденсационныенасосы, атакжеразличныеихмодификации(P≈10-7…10-9 Па).

Основные параметры любого насоса: быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление.

Рассмотрим принцип действия насоса среднего вакуума – механи-

ческого вакуумного насоса (МВН) 2НВР–5ДМ.

Рис. 10.6

Процесс откачки через клапан 2 в пластинчато-роторных МВН основан на механическом всасывании и выталкивании газа вследствие периодического изменения объема рабочей камеры, образуемого цилиндром, крышками и движущимися частями насоса – ротором и пластинами. В цилиндре 3 (рис.10.6) вращается в направлении, указанном стрелкой, эксцентрично установленный ротор 4. В прорези ротора помещены пластины 5,

124

которые пружинами 6 прижимаются к поверхности цилиндра 3. При вращении ротора пластины скользят по поверхности цилиндра. Полость, образованная цилиндром, ротором и торцовыми крышками, делится пластиной на полости А и В. При вращении ротора объем полости А периодически увеличивается, и в нее поступает газ из откачиваемой системы через клапан 2. Объем полости В периодически уменьшается, в ней происходит сжатие газа, сжатый газ выбрасывается через клапан 1. Уплотнение между полостями всасывания А и сжатия В достигается при помощи масляной пленки. Выхлопные клапаны работают под слоем масла.

МВН с масляным уплотнением используются в качестве насосов предварительного (форвакуумного) разрежения в высоковакуумных агрегатах и являются неотъемлемой частью любой вакуумной установки.

Высоковакуумные пароструйные (или диффузионные) насосы

(ВПСН) являются наиболее простыми и надежными средствами откачки, позволяющими создавать низкие давления от 10-2 до 10-9 Па. Они широко применяются в промышленности. Характерной особенностью ВПСН является постоянство быстроты действия в широком диапазоне рабочих давлений. В качестве рабочей жидкости в высоковакуумных насосах применяются ртуть (марка Р–1) и высоковакуумные масла ВМ–1, ВМ–2, ВМ–5 и ВМ–7, сложные эфиры ОФ и ОС, кремнийорганические жидкости ВК Ж– 94А и ПФ МС–2.

Высоковакуумные парортутные насосы (ВПРН) до настоящего времени находят широкое применение в промышленности и технике, несмотря на известные недостатки ртути: токсичность; высокую упругость пара при комнатной температуре, обусловливающую необходимость применения низкотемпературных ловушек; высокую химическую активность по отношению к металлам, ограничивающую выбор конструкционных материалов насосов. Они используются в основном для откачки ртутных выпрямителей, газосветных ламп, масс-спектрометров, ускорителей, установок для термоядерных исследований и т. д.

Широкое использование ВПРН обусловлено рядом их важных достоинств. При использовании низкотемпературных ловушек они позволяют получать «чистый» вакуум, не загрязняя откачиваемую систему побочными газообразными продуктами; очень стабильны в работе, так как ртуть не разлагается в кипятильнике ПРН; имеют большой срок службы и мало чувствительны к прорывам атмосферы в насос, если при этом не происходит значительного уноса из него ртути.

Выпускаются высоковакуумные ВПРН с быстротой откачки 10, 15, 500, 1500 и 6000 л/с. ВПСН наиболее широко распространены в промышленности, что обусловлено простотой их устройства и надежностью работы. Используемые в насосах в качестве рабочих жидкостей вакуумные масла совершенно безвредны, не взаимодействуют с конструкционными материалами и обладают низкой упругостью пара при комнатной температуре.

125

давления во впускном патрубке турбомолекулярного насоса не содержится паров масла. В противоположность пароструйным насосам ТВН начинают работать сразу же после пуска и не ухудшают своих характеристик от прорывов атмосферного воздуха. Большая быстрота безмасляной откачки в широком диапазоне давлений, отсутствие ловушек и затворов – важные преимущества турбомолекулярных насосов по сравнению с паромасляными. Схема устройства турбомолекулярного насоса показана на рис. 10.10. В корпусе 1, с закрепленными в нем дисками 2, вращается ротор 3 с дисками. В дисках имеются косые прорези, причем прорези в роторных дисках расположены зеркально по отношению к прорезям в дисках корпуса. При вращении ротора откачка происходит за счет преимущественного отражения молекул от середины ротора к краям. Толщина дисков в описываемом насосе составляет несколько миллиметров, расстояние между дисками – 1 мм.

Рис. 10.10

Радиальные зазоры также могут составлять около 1 мм, поскольку обратное протекание газа через такие зазоры при низких давлениях значительно меньше достигаемой быстроты откачки. Диски имеют большое число параллельно работающих прорезей, благодаря чему достигается большая быстрота откачки − 250 л/с.

Конденсационные, или криогенные, насосы (КН) используются в каче-

стве последующих ступеней в сверхвысоковакуумных установках и обладают большойскоростьюоткачки(до106 л/c) при давлении1·10-8–1·10-9 Па. Причем криопанели (рис. 10.11) (охлаждаемые поверхности КН) могут быть расположены непосредственно внутри вакуумной камеры. В идеальном случае температура их должна быть достаточно низкой, чтобы вымораживать почти всегазыипарыдопренебрежительнонизкогоравновесногодавления.

129